Ratgeber
Zahlreiche Schaltungen – vom einfachen Timer bis zum komplexen Mikrocontroller – benötigen Taktgeber. Im einfachsten Fall einen Schwingkreis aus Spule und Kondensator. Spielt die Frequenzstabilität eine wichtige Rolle, sind Quarz-Oszillatoren die erste Wahl. Es gibt aber eine Alternative: die in der Regel deutlich preisgünstigeren Keramik-Resonatoren.
Wie sich diese passiven Bauelemente von Quarz-Schwingkreisen unterscheiden, wie sie funktionieren und wo ihre Haupteinsatzgebiete liegen, erfahren Sie in unserem Ratgeber.
Ähnlich wie der Quarzoszillator ist auch der Keramik-Resonator eine Schaltung mit wenigen Bauelementen. Auch hier befinden sich alle Komponenten in einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse mit herausgeführten Kontakten, entweder bedrahtet für die Durchstecktechnik oder mit Lötflächen für die SMD-Montage.
Wie Quarzoszillatoren erzeugen Keramik-Resonatoren eine Ausgangsschwingung, hervorgerufen durch piezoelektrisches Resonanzmaterial, meist Barium-Titanat oder Blei-Zirkonium-Titanat. Die Schwingung lässt sich als Arbeitstakt für verschiedenste elektronische Prozesse nutzen. Keramische Resonatoren stehen in Bezug auf die Genauigkeit in etwa zwischen Quarzkristallen und Spule-Kondensator-Schwingkreisen.
Keramik-Resonatoren sind recht häufig in Mikroprozessor-Anwendungen zu finden, bei denen die Frequenzstabilität nicht zu den wichtigsten Eigenschaften gehören muss. Sie eignen sich auch sehr gut für die serielle Kommunikation mit geringer Geschwindigkeit. Genutzt werden sie ausserdem in Zeitsteuerungsschaltungen für eine Vielzahl von Anwendungen, zum Beispiel in Fernsehern, Videorekordern, elektronischen Geräten für Kraftfahrzeuge, Telefonen, Kopiergeräten, Kameras, Sprachsynthesizern, Kommunikationsgeräten, Fernbedienungen und Spielzeug.
Anzutreffen sind Resonatoren häufig auch als Filter in den Zwischenfrequenzstufen von Superheterodyn-Empfängern, sowohl für Mittelwellengeräte mit typischen Zwischenfrequenzen von 455 kHz als auch für UKW-Rundfunkgeräte mit Zwischenfrequenzstufen bei etwa 10,7 MHz. Da sich die Leistung inzwischen erheblich verbessert hat, werden sie auch in vielen anderen Hochfrequenz-Anwendungen eingesetzt.
In Automobil- und Industriebereichen sind Keramikresonatoren aufgrund ihrer robusten Konstruktion geschätzt. Einige Ausführungen erlauben zudem den Betrieb in Umgebungstemperaturen von mehr als 100 Grad Celsius oder verfügen über feuchtigkeitsresistente Gehäuse.
Warum gibt es zwei- und dreipolige Ausführungen von Resonatoren?
Zweipolige Ausführungen ersetzen rein schaltungstechnisch den Schwingkreis beziehungsweise das Oszillatorelement. Der mittlere Anschluss ist dann wichtig, wenn aus dem Resonator ein Signal abgegriffen werden soll, zum Beispiel für die Verwendung in Diskriminatoren.
Benötigen Resonatoren einen externen elektrischen Widerstand als Schutz vor Überspannungen?
Nein, im Gegensatz zu Quarz-Schwingern würde eine Überspannung hier nicht die piezoelektrischen Eigenschaften negativ beeinflussen.
Wie lange behalten Resonatoren ihre Frequenzgenauigkeit?
Wie jedes elektronische beziehungsweise elektrische Bauelement sind auch Keramik-Resonatoren einem natürlichen Alterungsprozess unterworfen, der sich vor allem bei hohen Temperaturen beschleunigt. Laut den Datenblättern der Hersteller ändert sich die vorgegebene Frequenz über einen Zeitraum von zehn Jahren um etwa plusminus 0,3 Prozent.
Was ist unter dem Kopplungsfaktor zu verstehen?
Mit Kopplungsfaktor wird die Effizienz der elektromechanischen Energieumwandlung bezeichnet, also der Übergang von der elektrisch zugeführten Energie in die Bewegungsenergie der Keramik. Der Faktor ist bei keramischen piezoelektrisch reagierenden Werkstoffen erheblich höher als bei Quarzkristallen, die resultierende Spannung ist damit viel grösser.
Worauf bezieht sich der sogenannte Gütefaktor bei einem Quarz oder Resonator?
In der Physik und im Ingenieurwesen ist der Gütefaktor oder Q-Faktor ein dimensionsloser Parameter. Er beschreibt, wie wenig gedämpft ein Oszillator oder Resonator arbeitet. Der Q-Faktor ist definiert als das Verhältnis zwischen der im Resonator gespeicherten Anfangsenergie und der Energie, die in einem Radiant des Schwingungszyklus verloren geht. Alternativ beschreibt er das Verhältnis zwischen der Mittenfrequenz eines Resonators und seiner Bandbreite, wenn er einer schwingenden Antriebskraft ausgesetzt ist.
Diese beiden Definitionen führen zu numerisch ähnlichen, aber nicht identischen Ergebnissen: Ein höherer Q-Faktor bedeutet einen geringeren Energieverlust, die Schwingungen klingen langsamer ab. Beispiel: Ein Pendel, das an einem hochwertigen Lager mit sehr wenig Reibung aufgehängt ist und in Luft schwingt, besitzt einen hohen Q-Faktor, während ein Pendel, das in einem Lager mit viel Reibung hängt und das zudem in Öl eingetaucht ist, einen sehr niedrigen Wert aufweist. Resonatoren mit hohen Gütefaktoren besitzen eine geringe Dämpfung, so dass sie länger schwingen oder vibrieren.