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Quarze werden in der Elektrotechnik für oberflächenmontierte SMD-Bauteile verwendet, weil sie piezoelektrische Eigenschaften aufweisen. Das heißt, dass sich ihre Polarisation und damit die Spannung verändert, wenn sie elastisch verformt werden. Dies funktioniert auch entgegengesetzt. Schwingquarze werden durch Anlegen einer Spannung gezielt zur Verformung mit einer bestimmten Frequenz gebracht und dienen als Taktgeber in vielen nachrichtentechnischen Anwendungen, Computern, Mikrocontrollern und elektrischen Filtern. Außerdem kommen die mechanischen Schwingeigenschaften von Quarzen bei Temperatursensoren und Messungen von Schichtdicken zum Einsatz. 

Wissenswertes zu SMD-Quarze

Wie funktionieren SMD-Quarze?

Bei SMD-Quarzen werden die piezoelektrischen Eigenschaften der Gesteine genutzt. Das Prinzip dahinter wurde 1880 von Pierre und seinem älteren Bruder Jacques Curie entdeckt.  

Piezoelektrizität bedeutet, dass in den Elementarzellen in einem Kristall bei gerichteter Verformung Ladungsverschiebungen stattfinden, die aufsummiert auf die gesamte Kristallstruktur eine Polarität ausbilden, welche eine messbare elektrische Spannung produziert. Die durch Verformung erzeugte Polarisation und die sich daraus ergebende elektrische Spannung können in Längs-, Quer- oder Diagonalrichtung (Scher-Effekt) entstehen. Entscheidend hierfür ist die Struktur des Kristalls und die Wirkrichtung des Verformungsdrucks.

Umgekehrt kann durch das Anlegen einer Spannung der Quarzkristall verformt werden. Der inverse Piezoeffekt nutzt die durch die Volumenänderung entstehende Kraft, wenn eine elektrische Spannung angelegt wird.

Oberflächenmontierbarer Quarzkristall

Uhren-Quarz

Bei Schwingquarzen werden elektromechanische Resonanzschwingungen durch das Anlegen einer Spannungsquelle erzeugt. In der Regel liegt die Nennfrequenz der harten Kristalle im Megahertz-Bereich (mHz), also sehr hoch mit mehreren Tausend Schwingungen pro Sekunde.

Vorteilhaft am Einsatz von Quarzen ist ihre hohe Frequenzstabilität, weswegen Schwingquarze in fast allen Anwendungen mit Taktgebern als solche verwendet werden. Toleranzbereiche werden in ppm (parts per million) angegeben, was eins pro Million bedeutet.

Auch kleine, leichte Quarze haben diese Frequenzstabilität. Sie werden gern platzsparend eingesetzt und als surface-mounted device, also als oberflächenmontierbares SMD-Bauteil in Schaltungen integriert.

Für Uhrenquarze kommt neben der besonderen Formgebung eine mehrfache Frequenzteilung zum Einsatz, um die für Quarze sehr niedrige Frequenz des Sekundenpuls herzuleiten. Meistens werden Quarzkristalle mit einer Frequenz von 32.768 Hz eingesetzt, die durch 15 T-Flipflops jeweils halbiert wird. Die Frequenzteilung beträgt in diesem Beispiel 32.768 Schwingungen pro Sekunde geteilt durch 215 ≅ 1 Sekunde.

Wie werden Quarze in SMD-Bauformen verwendet?

Quarze benötigen eine Außenbeschaltung und kommen daher meist in großen Serienfertigungen zum Einsatz, wo sich der Entwicklungsaufwand für eine serielle Peripherie zum Quarzkristall lohnt. Gegenüber Quarzoszillatoren bergen einfache Quarze bei größeren Produktionsmengen trotz komplizierterer Außenbeschaltung einen finanzielles Einsparungspotential.

Für die elektrischen Anschlüsse haben SMD-Quarze entsprechende Kontaktflächen, die dafür sorgen, dass die Spannung in die korrekte Richtung angelegt wird, um die gewünschte Verformung zu erreichen.  

Die Montage übernehmen oft Maschinen in Fertigungsstrecken, sie ist aber auch per Hand möglich.

Quarz-Oszillatoren finden Sie hier. Dabei handelt sich um beschaltete Quarzkristalle, meist in einem Gehäuse als anschlussfertiges Bauteil untergebracht.

Quarzkristall mit Kontakten für Oberflächenmontage.

Welche Kriterien gibt es für die Auswahl?

Nennfrequenz & Frequenzstabilität

In unserem Shop finden Sie Quarzkristalle und Quarzoszillatoren mit Nennfrequenzen zwischen 32,768 kHz (Uhrenquarz) und 66.66660 MHz.

Schwingquarze weisen charakteristisch eine sehr hohe Frequenzstabilität auf, allerdings gibt es zwischen den einzelnen Sorten Unterschiede. Die maximal zulässige Frequenzabweichung wird von den Herstellern wird in ppm, also parts per million, zu Deutsch eins von einer Million angegeben. Je niedriger die Toleranzabweichung im Filter Frequenzstabilität, desto präziser funktioniert der Quarz als Taktgeber. Verfügbar sind Toleranzen von +/- 20 ppm bis +/-100 ppm.

Größe / Gehäusetyp

Außerdem ist für die Montageoptionen des Quarzkristalls die Größe relevant, auswählbar in den Filtern Höhe, Breite und Länge.

Bei Quarzoszillatoren als fertigen Bauteilen für die Oberflächenmontage kommt zusätzlich die Auswahl anhand der Gehäuseform im Filter Gehäuse in Betracht.

Fragen und Antworten

Was ist der Unterschied zwischen Quarzkristall und Quarzoszillator?

Ein Quarzkristall allein nützt nicht viel, denn er benötigt eine auf ihn ausgerichtete Schaltumgebung. Der Quarzoszillator ist diese fertig aufgebaute Schaltung, in der ein Quarzkristall als frequenzbestimmendes Bauelement fungiert. Im Filter Kategorie können Sie zwischen Quarzkristallen für den eigenen Bau einer Schaltung und anschlussfertigen Quarz-Oszillatoren als Komplettbauteil wählen.

Tipp: Uhrenquarze sind im Grunde eine Spezialgattung der Quarzoszillatoren, da sie so beschaltet sind, dass der benötigte Sekundentakt entsteht.

Wieso haben viele Quarze eine mehrwöchige Lieferdauer?

Das liegt daran, dass die SMD-Quarze häufig erst nach der Bestellung hergestellt werden. Dazu werden Quarzkristalle, sogenannte Seeds, in einem Druckbehälter unter hohen Temperaturen zu Quarzen herangezüchtet. Anschließend erfolgt eine präzise Schnittführung, da der Schnittwinkel die Temperaturstabilität und die Frequenzstabilität der Kristalle beeinflusst. Die so entstandenen Quarze werden nach Gruppen sortiert. Weniger präzise geschnittene Quarzkristalle als Restprodukte sind nur für Anwendungen mit breiten Spezifikationen tauglich, während Kristalle für Quarzoszillatoren nur sehr geringe Fehlertoleranzen bezüglich ihres Schwingverhaltens aufweisen.

Wieso werden künstliche Quarze verwendet?

Natürlich gewachsene Quarzgesteine sind für elektrotechnische Anwendungen oft unbrauchbar, da sich in verwachsenen Formen, sogenannten Kristallzwillingen, die Polaritäten gegenseitig aufheben. Elektrische Schaltungen setzen hohe Anforderungen an die Frequenzstabilität, insbesondere wenn die Quarzoszillatoren als Taktgeber für andere Bauteile eingesetzt werden. Um diese zu erreichen, benötigen die Kristalle einen hohen Reinheitsgehalt und saubere Produktionsumgebungen. Diese lassen sich bei künstlicher Herstellung besser gewährleisten. Außerdem können unter Laborbedingungen gezielt Quarze mit bestimmten Frequenzbereichen für ihr mechanisches Schwingverhalten hergestellt werden.

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