Techniklexikon

Schwingquarz

Quarz. Bauelement auf der Grundlage des in versen (umgekehrten) piezoelektrischen Effekts, das durch ein elektrisches Wechselfeld zu Schwingungen hochkonstanter Frequenz angeregt werden kann. Wird an die Grenzflächen eines Quarzkristalls ein elektrisches Wechselfeld angelegt, so verändert der Kristall seine Abmessungen rhythmisch. Die Frequenz dieser Veränderungen ist hochkonstant und hängt von den Abmessungen, der Geometrie sowie von der Lage der Schnittflächen zu den Kristallebenen ab. Es tritt eine Rückwirkung des schwingenden Kristalls auf das elektrische Wechselfeld auf. Dadurch können S. zur Stabilisierung der Schwingfrequenz von Generatoren eingesetzt werden. Die relative Genauigkeit derartiger Generatoren beträgt bis 10’5 -ftf% Generatorfrequenz. Elektrodynamik und ElektrotechnikFestkörperphysikSchwingungen und Wellen, Quarzkristalle geeigneter geometrischer Form, die unter dem Einfluss eines hochfrequenten elektrischen Wechselfeldes zu intensiven Deformationsschwingungen angeregt werden können, wenn die erregende Frequenz mit der Eigenfrequenz des Quarzkristalls übereinstimmt. Die Wirkungsweise des Quarzes als elektromagnetischer Wandler und als schwingungsfähiges Gebilde (Resonator) beruht auf der Umkehrung des piezoelektrischen Effekts, der Elektrostriktion.

Zur Erzielung bestimmter Temperatureigenschaften und Schwingungsformen werden bestimmte Orientierungen zu den Kristallachsen und bestimmte Abmessungen eingehalten. Über Elektroden wird das hochfrequente Wechselfeld (einige 100 Hz bis etwa 300 MHz) schliesslich an den Kristall angekoppelt. Bei den höheren Frequenzen werden mechanische Oberschwingungen angeregt.

Die Güte von Schwingquarzen ist im Vergleich zu elektrischen Schwingkreisen sehr hoch (10^-4-5 × 10⁶). Ausserdem haben sie nur einen sehr kleinen Temperaturkoeffizienten der Frequenz. Auf Grund dieser beiden Eigenschaften finden Schwingquarze Verwendung als frequenzbestimmendes Element in Quarzoszillatoren, Quarzsendern und Quarzfiltern. Quarzgesteuerte Frequenznormale erreichen z.B. eine Frequenzkonstanz von bis zu 10^-9. Das elektrische Ersatzschaltbild eines Schwingquarzes in der Nähe der Resonanzfrequenz ist in der Abbildung zu sehen.

Schwingquarz: Elektrisches Ersatzschaubild eines zu Schwingungen angeregten Schwingquarzes in der Nähe der Resonanzfrequenz. : durch die Elektroden bedingte Parallelkapazität, ,  und : elektrische Ersatzgrössen des Schwingquarzes.