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Taktgeber Problemkind Quarz – Mythos oder Realität?

| Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Wegen seiner technischen Komplexität gilt der Quarz gern als Problemkind und zählt daher nicht gerade zu den beliebtesten Bauelementen auf einer Stückliste.

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Wegen seiner technischen Komplexität gilt der Quarz gern als Problemkind und zählt daher nicht gerade zu den beliebtesten Bauelementen auf einer Stückliste.
Wegen seiner technischen Komplexität gilt der Quarz gern als Problemkind und zählt daher nicht gerade zu den beliebtesten Bauelementen auf einer Stückliste.
(Bild: WDI)

Die WDI AG hat sich auf das Marktsegment „Frequency Control Products“ spezialisiert und bietet seit über 15 Jahren neben einer breiten Herstellerauswahl auch einen umfassenden FAE-Support, um den Anwender bei der Wahl des richtigen Frequenzgebers zu unterstützen. Wir sprachen mit Gerd Reinhold von WDI über typische Irrtümer und gängige Probleme im Anwendungsumfeld von Quarzen und Oszillatoren.

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ELEKTRONIKPRAXIS: Herr Reinhold, Sie als Spezialist für frequenzgebende elektronische Bauelemente, können uns doch sicher sagen, ob der Quarz wirklich so ein kritisches Bauteil ist, wie man oft den Eindruck gewinnt?

Gerd Reinhold: Grundsätzlich gilt, so wie bei den meisten anderen elektronischen Bauelementen auch, dass nur ein vollständig und richtig spezifizierter Quarz auch ein guter Quarz ist. Leider erlebt man in der Praxis, dass gerade hier viel Luft nach oben ist und viele Produkte nach dem Motto „mit Basteln zum Erfolg“ eingesetzt werden. Grundsätzlich sind zur exakten Spezifizierung eines Schwingquarzes mindestens sechs Angaben notwendig.

Dazu gehören zunächst zwingend folgende Angaben: Bauform (SMD oder bedrahtet), Ausgangsfrequenz (in kHz oder MHz), Frequenztoleranz bei 25 °C (in ppm), Frequenzstabilität (in ppm) über den Arbeitstemperaturbereich (in °C), Lastkapazität (in pF), max. ESR-Wert (in Ohm). Überdies sind gegebenenfalls noch weitere Angaben notwendig, z.B. bei Bedarf einer bestimmten „Ziehfähigkeit“ (Pulling) oder bei Definition einer gewünschten maximalen Alterung (Aging).

Ist eine vollständige Spezifikation nicht eigentlich selbstverständlich? Welche Erfahrungen machen Sie in ihrem Alltag?

Da kann ich Ihnen einige Beispiele aus der täglichen Praxis nennen. Oft wird z.B. die Lastkapazität eines Quarzes als eine untergeordnete, gar unerhebliche Angabe verstanden. Doch die Lastkapazität des Quarzes muss unbedingt zur Auslegung des Oszillatorschaltkreises passen.

Bei jeder Abweichung vom Soll schwingt der Quarz nicht mehr auf der vorgesehenen Nennfrequenz. Daraus können sich schnell Frequenzabweichungen von deutlich mehr als 100 ppm ergeben. Im schlimmsten Fall kann es durch Aufsummierung in der Toleranzkette sogar dazu kommen, dass sich im Betrieb über die Temperatur von beispielsweise –40 bis 85 °C Quarz und MCU nicht mehr „verstehen“ und dies zum Ausfall der Schaltung führt.

Die Berechnungsformel für die richtige Lastkapazität lautet wie folgt:

WDI
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Ein Beispiel mit C1=C2=12 pF:

WDI
WDI

CChip = parasitäre Kapazität, kann man mit 5 pF annehmen

CStreu = pauschale Annahme 1 pF

Viele Anwender spezifizieren engste Toleranzen, führen jedoch durch falsche Auslegung der Lastkapazität ihre Vorgaben ad absurdum.

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