Quarze, bedrahtet

Der Quarz, genauer der Schwingquarz, ist sozusagen das Herz zahlreicher elektronischer Schaltungen. Dieses passive Bauelement fungiert als äußerst präziser Taktgeber beispielsweise in Quarzuhren und Funksendern, aber vor allem in prozessorgesteuerten Systemen, von Smartphones über Computer bis zu Geräten in der Messtechnik. Neben Quarzen in SMD-Bauform für die feste Montage direkt auf der Platine sind bedrahtete Quarze sehr beliebt. Ihr Vorteil: Sie lassen sich in Kombination mit passenden Fassungen – zum Beispiel in einer Anwendung für unterschiedliche Frequenzen – leicht austauschen.

In unserem Ratgeber machen wir Sie mit der zugrundeliegenden Technologie vertraut und erklären Typen und Einsatzbereiche.

Das Funktionsprinzip eines Quarzes innerhalb einer Elektronik beruht auf der wechselseitigen Kopplung des elektrischen Feldes mit dem mechanischen Feld bei der Verformung eines Quarzplättchens. Diese Kopplung wird durch piezoelektrische Phänomene im Quarzkristall hervorgerufen.

Das elektrische Feld entsteht normalerweise durch das Anlegen einer Spannung an die dünnen Metallelektroden auf dem Quarzplättchen. Dabei verformt sich das Plättchen. Wird das Feld entfernt, erzeugt der Quarz seinerseits ein Feld, bis er seine vorherige Form wieder angenommen hat. Der Quarzkristall verhält sich also wie ein Schaltkreis aus Spule, Kondensator und Widerstand mit einer bestimmten Resonanzfrequenz.

Jeder Resonator kann neben der Grundfrequenz auch mit Obertönen schwingen. Dabei handelt es sich in der Regel um ungerade Vielfache der Grundfrequenz.

Grundsätzlich besitzt ein Quarz sowohl eine Serien- als auch eine Parallelresonanz. Die Serienresonanz ist nur wenige Kilohertz niedriger als die Parallelresonanz. Quarze unter 30 Megahertz Schwingfrequenz arbeiten im Allgemeinen zwischen Serien- und Parallelresonanz – der Kristall führt somit zu einem induktiven Blindwiderstand. Durch Hinzufügen zusätzlicher Kapazitäten an den Enden des Kristalls lässt sich die Parallelresonanz aber nach unten verschieben und so die Frequenz einstellen, bei der es zur Oszillation kommt.

Quarzhersteller schneiden und justieren ihre Quarze normalerweise so, dass sie eine bestimmte Resonanzfrequenz erreichen, wenn dem Bauteil eine bekannte kapazitive Last hinzugefügt wird. Zum Beispiel besitzt ein 32-Kilohertz-Quarz eine Parallelresonanz von 32,768 Kilohertz, wenn eine Kapazität von 6 Pikofarad hinzugefügt wird. Ohne diese Kapazität wäre die Resonanzfrequenz höher.