Warum werden Quarzoszillatoren in Uhren anstelle von RLC-Schaltungen verwendet?

Das Timing von Quarzuhren wird durch einen Quarzoszillator geregelt . Dieser Quarzoszillator bildet effektiv eine RLC-Schaltung. Wenn ja, welche Eigenschaften hat ein Quarzoszillator, die ihn gegenüber einer RLC-Schaltung vorteilhaft machen?

Kristalloszillatoren sind viel genauer, sie sind klein, haben niedrige Temperaturkoeffizienten und geringe Drift bei geringen Kosten.

Ein Quarzkristall ist ein mechanischer Resonator mit besonders stabilen Eigenschaften. Quarz ist ein sehr stabiles Material - es 'altert' nicht oder ändert sich nicht stark mit der Temperatur. Es ist auch möglich, Quarz so herzustellen, dass er sehr rein ist und gleichbleibende Eigenschaften aufweist. Quarz ist auch leicht piezoelektrisch - ein elektrisches Feld verursacht eine Ablenkung und eine Ablenkung erzeugt eine elektrische Ladung.

Bei korrektem Schnitt (mit einer bestimmten Ausrichtung in Bezug auf die Kristallachsen) und korrekter Montage sind die mechanischen Eigenschaften (im Grunde genommen die Steifheit) unabhängig von der Temperatur. Kontakte auf dem Kristall bedeuten, dass eine mechanische Vibration elektrische Ladung erzeugt. Bei korrekter Konfiguration (mit einem Verstärker) kann das gesamte System mit einer stabilen Frequenz in Resonanz versetzt werden.

Elektrisch kann dies als RLC-Netzwerk mit ähnlichen Eigenschaften modelliert werden. Die RLC-Werte können überraschend sein - typischerweise Bruchteile eines fF der Kapazität und viele henries der Induktivität.

Während ein Quarzkristall als RLC-Schaltung modelliert werden kann, ist dies nicht der Fall.
Der Schnitt und die Abmessungen des Kristalls bewirken, dass er bei einer bestimmten Frequenz in Resonanz ist, und dies kann viel genauer bestimmt werden als bei einem Schaltkreis, der aus diskreten Rs, Ls und Cs besteht.

Der Grund ist die Genauigkeit. Für Kondensatoren gelten 2% als sehr gute Toleranz. Bei Induktivitäten bin ich mir nicht sicher, aber ich gehe davon aus, dass es ähnlich ist. Widerstände sind besser als Kondensatoren oder Induktivitäten, aber Sie können keinen Oszillator nur mit Widerständen bauen.

Um diese Zahlen ins rechte Licht zu rücken: 1% entspricht 36 Sekunden pro Stunde oder 14 Minuten und 24 Sekunden pro Tag, was für eine Uhr völlig inakzeptabel wäre.

Nach meiner Erfahrung wird ein Kristall hinzugefügt, anstatt die RLC-Komponenten eines Oszillators zu ersetzen . Der Grund, warum es "hinzugefügt" wird, besteht darin, eine gegebene Frequenz genauer anzugeben und beizubehalten, als wenn nur die RLC-Komponenten verwendet werden. Der Grund, warum ein Kristall eine höhere Genauigkeit bietet, besteht darin, dass er mit "engeren" Toleranzen als die RLC-Komponenten und mit seiner hohen elektrischen Güte hergestellt werden kann.

Der Quarzoszillator hat Eigenschaften der Billigkeit hinsichtlich der Schaltungskomplexität und des Einheitspreises, die ihn gegenüber einer RLC-Schaltung vorteilhaft machen. RLC-Schaltung erfordert mehr Teile und Einstellungen. Bei korrekter Auslegung und Kalibrierung ist ein RLC-Takt so genau wie ein Quarzoszillator-Takt. Auf die Kosten und die Größe kommt es an.