Frage zum Quarzoszillator in Uhren?
Mir wurde folgendes erklärt: an dem quarzoszillator wird eine Wechselspannung angelegt, wodurch dieser dann anfängt zu schwingen, indem er sich deformiert. Dabei entsteht dann eine Spannung im Quarz durch die Deformierung. Dann wurde mir erzählt, dass diese Spannung, welche dieser Quarzoszillator dann durch die Deformierung herstellt, verstärkt wird und dann wieder dem Quarzoszillator hinzugegeben wird oder so.
Jetzt sind meine Fragen folgende:
Erstens: Wie wird diese Wechselspannung angelegt und wer erzeugt diese?
zweitens: wie wird die erzeugte Spannung beim deformieren des quarzoszillatoren wieder für den quarzoszillatoren benutzt (wenn das überhaupt der fall ist)
drittens: wo fließt die erzeugte Spannung eigentlich lang, wenn an dem quarzoszillator eine Wechselspannung angeschlossen ist.
viertens: Was haben zwei Kondensatoren mit dem Quarzoszillatoren zutun.
4 Antworten
Es gibt unterschiedliche Formen von Quarzoszillatoren ein einfacher Quarzoszillator für Digitalschaltungen wäre aber diese Schaltung hier.
Im wesentlichen funktioniert die so, dass an einer Seite des Inverters 0 anliegt und an der anderen 1.
Im abgeschalteten Zustand liegt dort 0 und 0 an. Schaltet man nun ein geht der Ausgang auf 1 weil am Eingang ja 0 ist, dieser Spannungssprungt führt nun dazu, dass der Quarz sich deformiert und sich die Spannung am Inverter Eingang hebt. Der Inverter schaltet nun den Ausgang nach 0 (denn am Eingang ist ja jetzt eine 1) und das ganze läuft in der anderen Richtung ab.
Der Quarz selbst sorgt also dafür, dass dieses Umschalten eben in der korrekten Frequenz geschieht. Unterhalb der Resonanzfrequenz wirkt er hier Kapazitiv, also er lässt einen Stromfluss durch sich zu und zieht die Frequenz nach oben, überhalb seiner Resonanz wirkt er Induktiv also er blockiert zunehmend den Stromfluss womit die Frequenz sinkt. Er drückt somit die Frequenz immer auf seine Resonanz wo er weder Induktiv noch Kapazitiv wirkt.
So eine Schaltung gibt es auch komplett ohne Quarz und nur aus Invertern die nennt man dann Ringoszillator, allerdings ist die Frequenzgenauigkeit dann wesentlich schlechter.
Die Kondensatoren dienen der kapazititven Belastung des Quarzes, diese benötigt er damit er ins schwingen kommt, denn ohne diese wäre seine Eigenschwingung nicht stabil und der Oszillator schwingt eventuell nicht an sondern geht in einen statischen Zustand mit einer 1 am Inverterausgang.
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/83/Quartz_oszi_H.GIF
Das wäre ein anderer Typ eines Quarzoszillators. Hier schwingt zunächst der Schwingkreis aus dem Kondensator und der Spule, der Quarz hat nun die Aufgabe alle Nebenfrequenzen welcher nicht der Quarzfrequenz entsprechen abzuleiten. Damit verstärkt der Transistor nur den Schwingungsanteil welcher der Quarz Resonanzfrequenz entspricht. Hier wird der Quarz also als selektiver Frequenzfilter eingesetzt, aber der eigentliche Oszillator ist der Schwingkreis in der Schaltung.
Im wesentlichen benötigt man die wenn man den Oszillator im sogenannten Parallel Resonanzmodus betreibt.
Der Quarz wirkt dann eben nicht wie ein Serienschwingkreis sondern wie ein Parallelschwingkreis. Das ist zB beim Pierce Oszillator der Fall weil er in Serienresonanz nicht schwingen kann.
Der Grund dahinter ist weil der Inverter Eingang hochohmig ist und daher der Strom für die Serienresonanz nicht fließen kann. Man muss also dem Strom einen Weg geben über welchen er den Stromkreis schließen kann und das sind dann eben die Kondensatoren.
Das hat zur Folge dass man nun den Quarz kapazitiv belastet und dieser Schwingkreis schwingt jetzt etwas über der Serienresonanz, damit wirkt der Quarz induktiv und bildet mit den Kapazitäten einen Schwingkreis welcher nun mit definierter Frequenz schwingt.
Du kannst dir das jetzt so Vorstellen, dass der Quarz die Ladung aus einem der Kondensatoren nimmt und auf die andere Seite fließen lässt wie bei einem Parallel Schwingkreis dadurch entleert sich einer der Kondensatoren und der andere wird geladen, damit kippt dann wieder der Zustand des Inverters und das ganze mit einem definierten verhalten.
Wichtig ist dass man einen Quarz für Parallelresoanz wählt sonst stimmt die Frequenz nicht.
Bei der zweiten Schaltung die ich geschickt habe ist der Quarz quasi über den Transistor und die Kondensatoren niederohmig mit sich selbst Kurzgeschlossen, daher schwingt der Quarz hier in Serienresonanz. Das hat auch zur Folge dass die Basis eben genau nur für die Resonanzfrequenz auf Masse gekoppelt ist (der Quarz wirkt in dieser Resonanz wie ein Kurzschluss) und daher ist die Verstärkung des Transistors auch nur für diese eine Resonanzfrequenz positiv und es wird nur diese Resonanzfrequenz verstärkt während alle anderen unterdrückt werden.
Also diese Dinge lernt man zB in einem Elektrotechnikstudium, allerdings habe ich viel dazu auch einfach aus Interesse selbst erlernt und bin zB gerade dabei meinen Amateurfunker zu machen.
und ist dann nicht irgendwann die Energie in den Kondensatoren alle, durch den Widerstand?
Nein der Inverter liefert ja die Energie nach. Immer wenn dessen Ausgang 1 ist liefert lädt dieser Ausgang den Kondensator auf der einen Seite auf.
Vielleicht sollten wir auch erst die Frage klären, was überhaupt ein Inverter ist und was dieser macht. Und eine zweite Frage wäre, wer denn jetzt diese Wechselspannung an den Quarz legt, ist das der Inverter oder sind das doch die Kondensatoren.
Außerdem meintest du folgendes:
Im abgeschalteten Zustand liegt dort 0 und 0 an. Schaltet man nun ein geht der Ausgang auf 1 weil am Eingang ja 0 ist
Jetzt frage ich mich, wie und vor allem wo schaltet man denn den Quarzoszillator an und warum ist dann 1 beispielsweise am Ausgang und nicht am Eingang?
Naja der Inverter hat ja eine Spannungsversorgung. Ohne diese würde er ja nicht funktionieren.
Wenn nun diese Spannungsversorgung eingeschalten wird dann beginnt der Inverter zu arbeiten.
Der Eingang des Inverters liefert relativ wenig Leckstrom, damit ist mit dem Kondensator eigentlich in den meisten Fällen sichergestellt, dass hier zuerst eine 0 anliegt. Der Ausgang invertiert das Signal nur. Also aus einer 0 wird eine 1 und aus einer 1 eine 0.
Prinzipiell ist es aber egal, auch wenn der Eingang 1 ist ist eben der Ausgang 0 das führt dann eben so auch zum Anschwingen des Oszillators. Wenn du dir die Schaltung ansiehst sorgt auch der Widerstand R1 dazu dass der Eingang 0 wird wenn der Ausgang das ist und der Oszillator noch nicht stabil schwingt. Sobald dann aber die Flanke durch den Zustandswechsel des Ausgang des Logikgatters kommt, liefert die den Impuls damit der Oszillator startet.
Also wenn der Output bzw. Der Ausgang 1 ist meintest du liefert er den Kondensatoren Energie nach, wo wird denn dann ein Signal weitergeschickt in diese Flipflop Schaltungen. Oder geht ein Teil der Energie an die Kondensatoren und ein anderer wird dann als Signal für die Flipflops genutzt?
Es ist in dem Sinne ja kein Flipflop sondern ein Rückgekoppelter Inverter. Dieses Schaltung ist ja an sich schon instabil und beginnt zu schwingen, wenn der Inverter Eingang einen Schmidttrigger hat.
Wie meinst du wo wird ein Signal weitergeschickt?
Wenn der Ausgang auf 1 geht, dann fließt Strom aus dem Inverter raus, dieser Strom lädt den Kondensator auf der Eingangsseite.
Der Quarz wirkt induktiv also verzögert er den Strom. Dieser Strom durch den Quarz lädt nun den Kondensator auf der Eingangsseite. Wenn die Eingangsseite nun eine gewisse Spannung überschreitet kippt der Ausgang des Inverters auf 0.
Dann zieht der Ausgang den Strom aus dem Kondensator auf der Ausgangsseite und über den Quarz den Strom aus dem Kondensator auf der Eingangsseite.
Dann nimmt die Spannung am Eingang wieder ab und der Ausgang geht nun wieder auf 1.
Das geht dann eben so hin und her wobei die Kondensatoren immer geladen und entladen werden wobei der Strom zum Laden der Kondensatoren aus dem Ausgang des Inverters stammt.
ja, aber wo wird denn jetzt ein Signal an beispielsweise eine Uhr weitergeleitet, dass diese nach einer Sekunde den Zeiger weiterbewegen soll?
Also das was du mir erklärst hast ja irgendwie ein geschlossenes System, aber es muss ja irgendwie (bei einer 32,768 Hz Quarzuhr beispielsweise) 32,786 mal in der Sekunde ein Signal an die FlipFlops weitergeleitet werden, welche dieses Signal dann die ganze Zeit um 2 teilen bis man am Ende ein 1 Hz Signal hat, was dann an einen Zeiger weitergeleitet wird. Und da stellt sich dann eben die Frage, wo in deiner Erklärung sozusagen dann immer ein Signal weitergeleitet wird an die entsprechenden Verarbeitungssysteme. Übrigens Vielen Dank für die Hilfe!
Das Signal kannst du direkt am Ausgang des Inverters abgreifen.
Sieh dir einfach das Schematic an wozu ich dir den Link geschickt habe:
Da ist hinter U2 ja der Ausgang eingezeichnet.
Wie geschieht es aber, dass der Ausgang den Strom aus dem Kondensator auf der Ausgangsseite zieht? Weil dann hätten wir ja hier einen Widerspruch, weil du hattest gesagt, dass wenn der Inverter ausgeschaltet ist, sind Eingang und Ausgang beide auf 0. Aber dann sagtest du folgendes:
Wenn die Eingangsseite nun eine gewisse Spannung überschreitet kippt der Ausgang des Inverters auf 0. Dann zieht der Ausgang den Strom aus dem Kondensator auf der Ausgangsseite
Wenn der Ausgang bei 0 sozusagen den Strom aus dem Kondensator auf der Ausgangsseite zieht, warum macht er es denn dann nicht schon am Anfang auch so, wenn der Inverter gar nicht angeschaltet ist, weil dann ist der Ausgang ja auch auf 0. Also meine Frage ist, warum der Ausgang wenn er 0 ist nur dann anzieht (so habe ich es jedenfalls verstanden), wenn er im angeschlagenen Zustand auf 0 ist, aber warum denn nicht wenn der Inverter aus ist, weil dann ist der Ausgang ja auch auf 0.
oder sind die Kondensatoren gar nicht geladen, wenn der Inverter ausgeschaltet ist?
Und die zweite Frage ist eben, wie genau der Ausgang eben den Strom aus dem Kondensator auf der Ausgangsseite zieht, wenn der Ausgang bei 0 ist.
Warum sollten die Kondensatoren geladen sein wenn die Schaltung nicht mit Strom versorgt ist? Die Laden sich natürlich erst mit der 1 am Ausgang des Inverters.
Der Ausgang des Inverters ist eine Push Pull Stufe. Bei einer 1 verbindet der Inverter seinen Ausgang eben mit der Versorgungsspannung bei einer 0 verbindet er den Ausgang mit Masse. Du kannst dir diesen Ausgang so vorstellen wie ein Schalter welcher einmal auf VCC und einmal auf Masse ist.
Lies dir dazu am besten mal die Grundlagen von Digitalschaltungen bzw dessen Ausgängen durch, denn das ist ja keine Eigenheit dieses Inverters sondern jeder Digitalausgang funktioniert so.
Ahh jetzt habe ich es verstanden, jedoch kommt mir da auch noch eine Frage auf. Warum wird der Kondensator am Eingang durch die 1 am Ausgang des Inverters geladen und nicht der Kondensator am Ausgang?
Es wird der Kondensator am Ausgang geladen und zeitverzögert der Kondensator am Eingang.
Ah, aber warum ist der Kondensator am Ausgang eigentlich nötig, also warum kann Nicht einfach immer der Kondensator am Eingang geladen und entladen werden? Und des Weiteren stellt sich auch die Frage, wie genau die Kondensatoren aufgeladen werden, weil auf der Schaltskitzze des Pierce Quarzes sah es so aus, als wäre der Inverter nur mit jeweils einer Seite des Kondensators verbunden und ein Kondensator wird ja so geladen, dass sozusagen auf der einen Seite Elektronen hinzugefügt und auf der anderen Seite Elektronen entnommen werden, damit der Kondensator diese Energie speichern kann?
Das war ja nur die Erklärung dazu wie die Kondensatoren geladen werden, die Funktion des Oszillators hab ich ja oben beschrieben.
Du musst für den Quarz den Stromkreis in Hochfrequenz schließen. Die beiden Kondensatoren hängen über die Masse in Serie und schließen den Stromkreis beim Quarz.
Nicht vergessen der Quarz ist in Parallelresonanz und arbeitet Induktiv er wirkt also wie eine Spule. Die beiden Kondensatoren sind in Serie und Parallel zum Quarz, somit bildet der Quarz mit den beiden Kondesatoren einen Parallelschwingkreis.
Die zweite Seite des Kondensators ist mit Masse verbunden, das ist der Wagerechte Strich.
Wofür ist denn der Kondensator auf der Ausgangsseite konkret da und warum funktioniert die Pierce Schaltung nicht ohne ihn?
Und wofür sind eigentlich die Widerstände da?
Die Masse ist das Referenzpotential meistens ist das die Verbindung zum negativen Pol der Spannungsquelle.
Nochmal damit Strom fließen kann muss eine Leitfähige Verbindung da sein. Wenn da nur ein Kondensator da ist wäre der Stromkreis des Quarzes nicht geschlossen und er könnte nicht schwingen.
Die beiden Kondensatoren schließen diesen Stromkreis und wenn nur einer da ist ist der Stromkreis eben nicht geschlossen.
Die beiden Kondensatoren sind in Serie und deren Gesamtkapazität ist pararllel zum Quarz.
Der Quarz ist für gewöhnlich im Niederfrequenzbereich wie eine offenen Verbindung und damit da dennoch eine etwas Leitfähige Verbindung zwischen Eingang und Ausgang des Inverters ist der Widerstand da.
Ansonsten kanns sein dass der Oszillator in einen Stabilen Zustand einschwingt und das möchte man vermeiden.
R2 ist dafür da damit der Strom durch den Quarz nicht zu groß wird.
was heißt denn konkret, dass es meistens die Verbindung zum negativen Pol der Spannungsquelle ist. Bedeutet das, dass das Referenzpotential auf ihrer Seite des jeweiligen Kondensatoren die Elektronen entnimmt und so eine positiv geladene Seite des Kondensators herstellt? Oder fügt das Referenzmaterial auf ihrer Seite des jeweiligen Kondensators Elektronen hinzu?
Nein so kannst du das nicht sagen, Referenzpotential bedeutet eben nur die Referenz zu welcher du die Spannung angibst.
Spannungen kannst du ja immer nur zwischen zwei Punkten angeben nicht aber nur für einen einzigen Punkt. Wenn du von 5V in einer Schaltung sprichst meinst du damit 5V von diesem Punkt zur Masse weil die die Referenz ist.
Welche Seite des Kondensators sich wie lädt hängt natürlich vom Stromfluss durch diesen Kondensator ab. Natürlich ist die Spannung in der Elektrotechnik konsistent zum Strom orientert also wenn ein Kondenaator an Masse und 5V hängt dann fließen Elektronen aus der Seite mit 5V raus und von der Masse rein.
Allgemein ist Masse aber eben nur die Referenz und meistens ist das der Minuspol, aber nicht immer. So kannst du zB auch eine Spannung von -5V und Masse haben und hier wäre Masse wiederrum Plus bezogen auf die -5V
Der Quarzkristall selber wirkt als Kondensator.
Durch einen externen Schwingkreis (Kombination von Spule und Kondensator [Kondensator Nr.2] ) wird eine Schwingung erzeugt. Deren Frequenz ist aber relativ ungenau. Deshalb nur für relativ schlechte Uhren zu gebrauchen. Frühere Uhren ohne Quarz haben sich auf die Netzfrequenz aufsynchrinisiert das war genauer.
Mit dem Quarz im Stromkreislauf als 2. Kondensator, beginnt der Quarz auf der externen Anregungsfrequenz zu schwingen. Da der Quarz durch seine Form aber lieber auf seiner eigenen Resonanzfrequenz schwingt, setzt sich diese spezielle Frequenz - die ja im weiten Anregungsbereich des externen Schwingkreises liegt - durch und es entsteht ein scharfer Resonanzpeak bei genau dieser Frequenz.
Diese Frequenz wird dann zum Zählen der Schwingungen verwendet ===> Uhrzeit.
Gleichzweitig wird aber mit einem Verstärker ein kleiner Teil der Schwingungsenergie elektrisch verstärkt und an den Schwingkreis des Quarzes zurückgegeben --- sonst würde auch der beste Schwingkreis irgendwann aufhören zu schwingen.
Also nochmals kurz:
Elektrische Energie zum Anstoßen des Schwingkreises und zum Erhalt der Schwingung.
Der Quarz dient dazu diese Energie auf seine Resonanzfrequenz zu bündeln, so dass es ein festes Zeitsignal ergibt.
Der Quarz wirkt als Schwingkreis, also wie eine Parallelschaltung aus Kondensator und Spule, bzw wie eine Serienschaltung aus Kondensator und Spule, je nachdem ob man ihn in Serien oder Parallelresonanz betreibt. (Unterschiedliche Frequenzen)
Abseits der Resonanz wirkt er aber entweder Kapazitiv oder Induktiv.
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/18/Schwingquarz-Ersatzschaltbild.png
Das ist die einfache Ersatzschaltung des Quarzes.
Es wurde schon alles gesagt. Ich fasse mal zusammen: Ein Quarzoszillator wird nicht wie Du sagst mit einer Wechselspannung angeregt sondern die Wechselspannung entsteht gerade erst durch Mitkopplung (positives Feedback) über den Quarz, der das frequenzbestimmende Glied der entstehenden Schwingung ist.
Der Quarzoszillator wird mit der Batteriegleichspannung "angestoßen" und beginnt zu schwingen... allerdings ist das eine abklingende Schwingung und will heißen: Der schwingt kurz und würde dann wieder aufhören. Damit das nicht passiert wird ein kleiner Teil der Schwingung ausgekoppelt und wird so geschaltet, dass er sich damit selbst wieder "nachstößt" und damit schwingt er dann dauerhaft.
Wenn er schwingt, dann schwingt er hochgenau auf einer festen Frequenz und wenn das ggf. 4MHz sind, dann schaltet man einen Zähler dahinter, der immer nach genau 4 Million Eingangsimpulsen (vom Quarz) einen kurzen Ausgangsimpuls gibt... und so erhält man dann einen hochgenauen Sekundentakt, mit dem die Uhr arbeitet.
Super erklärt, danke! Eine Frage dazu wäre noch wie diese Kondensatoren jetzt den Quarz zum schwingen bringen. Außerdem würde mich noch interessieren, wo du diese Informationen gelernt hast, also z.B. in welchem Studiengang. VG