┘
We behandelen nu het kwartskristal.
Waarom behandelen wij dit onderdeel niet bij componenten maar pas hier?
Omdat het kwartskristal gezien kan worden als een schakeling op zich.
Hierboven zien wij het symbool van een kwartskristal, het lijkt wat op een condensator met een weerstand ertussen.
We kunnen de werking van het kristal vergelijken met de trillingen van een kristalglas.
Als wij met een vochtige vinger over de rand van dit glas draaien kunnen wij het glas in trilling brengen, wij horen dan een toon.
Deze toon is de eigen frequentie van het glas.
Vrijwel ieder glas heeft een eigen frequentie, het is zeer lastig glazen te maken die exact dezelfde frequentie hebben.
Dat is ook niet nodig, als de glazen uiterlijk maar op elkaar lijken en er goed uit te drinken valt is het prima, niemand die zich druk zal maken om de eigen frequentie van het glas.
De vraag die nu misschien bij je opkomt is misschien wel of je met geluid van een bepaalde frequentie en glas kunt breken.
Het antwoord is ja.
Als je een geluid op de eigen frequentie van het glas produceert en het volume is sterk genoeg, zal het glas in trilling komen en tenslotte kapot springen.
De frequentie moet wel heel nauwkeurig zijn.
Het lukt maar zelden om met de menselijke stem een glas te laten springen, maar met een geluidsgenerator en een scoop is het niet zo moeilijk.
Op het filmpje is te zien hoe een docent aan studenten demonstreert hoe je een glas kunt laten springen door middel van geluid.
https://www.youtube.com/watch?v=FxaaTqBGF5A
We kunnen niet alleen een glas in trilling brengen, alle stoffen hebben een eigen resonantiefrequentie, sommige heel laag, andere weer heel hoog. .
Zo kunnen wij ook een plaatje kwarts in trilling brengen.
Hoe brengen wij in onze elektronicaschakelingen dat kwarts in trilling?
Dit doen we met behulp van de piëzo-elektrische eigenschap van kwarts.
De eigenschap is dat kwarts verandert van afmeting als het in een elektrische veld wordt gebracht.
Er ontstaat ook een elektrische spanning aan het oppervlak van een plaatje kwarts als er een mechanische kracht op wordt uitgeoefend.
We kennen dit principe ook uit de piëzo-aansteker, daar zit een plaatje kwarts in. Als wij de knop indrukken komt er een kracht te staan op het kwartsplaatje en er ontstaat een elektrische spanning, er ontstaat hierdoor een vonk die het gas doet ontbranden.
We zagen al het symbool van het kwartkristal, en we vertelden erbij dat het op een condensator leek met een weerstand ertussen.
Die weerstand is geen weerstand maar stelt een plaatje kwarts voor, maar dat wat op een condensator lijkt, is wel degelijk een condensator.
Als wij het kwartsplaatje tussen de twee platen van een condensator aanbrengen, en we voeren een wisselspanning toe, zal er tussen de platen een veranderend elektrisch veld ontstaan dat weer veranderingen in de afmetingen van het kwartsplaatje tot gevolg heeft.
Door deze veranderingen in afmetingen treden er mechanische krachten op, en dit heeft weer tot gevolg dat er een spanning ontstaat.
De twee genoemde eigenschappen van het kwarts beïnvloeden elkaar in hoge maten.
De resonantiefrequentie van een kwartkristal is afhankelijk van de afmetingen, in de meeste gevallen is de dikte bepalend voor de resonantiefrequentie.
Er zijn kristallen die op 100 kHz resonant zijn, maar ook kristallen die dat op 100 MHz zijn.
Een kristal kan gezien worden als een afgestemde kring met een zeer hoge kwaliteitsfactor.
Hadden wij het eerder over een filter gemaakt met spoelen en condensatoren en dat deze filters wel en Q konden hebben van 200.
De kwaliteitsfactor van een kwartskristal is vele malen hoger, tot wel 10.000!
Vervangschema
Hierbovent vinden wij het vervangschema van een kwartskristal.
Hierin zijn de mechanische eigenschappen die optreden in een kwartskristal omgezet naar elektronische verschijnselen.
Het is niet zo dat er in een kristal een spoel, weerstand en 2 condensatoren zitten, maar zo gedraagt het kristal zich wel.
Het kwartkristal kun je zien als een serie-resonantieketen bestaande uit L, R en Cs.
De zelfinductie L is zeer hoog en de serieweerstand, de verliesweerstand, heel laag.
Met de formule om de kwaliteitsfactor te berekenen,
Q = 2pi × f × L / R zien wij dat de Q zeer hoog is.
De Cp stelt de condensator voor waarin het reepje kwarts is ondergebracht.
Samen met Cs vormt deze condensator een vervangende capaciteit.
Omdat ze in een kring staan, staan ze in serie en kunnen wij de vervang-capaciteit uitrekenen als volgt:
1/ Cv = 1/ Cs + 1 / Cp.
De kring gevormd door R, L en Cv vormen samen dan weer een parallelkring.
Cs is zeer klein ten opzichten van Cp en daardoor liggen de resonantiefrequenties van de seriekring en parallelkring heel dicht bij elkaar, waarbij de serieresonantie iets lager is dan de parallel-resonantie.
We zien hier de karakteristiek van een kwartskristal.
Het is meestentijds capacitief, maar tussen de serieresonantie en de parallel-resonantie gedraagt het kwartskristal zich inductief.
We zien dat de reactantie op de kristalfrequentie gelijk is aan Rs, oftewel zeer laag.
Hierdoor is de kwaliteitsfactor van de inductie zeer hoog, het gedraagt zich als een spoel met een zeer hoge Q.
Met meerdere kristallen in een schakeling kunnen wij een kristalfilter maken met een zeer smal doorlaatgebied.
Vooral kristalfilters voor CW-toepassingen zijn erg smal, hooguit enkele honderden Hertz.
Frequenties die buiten deze frequenties liggen worden zeer verzwakt doorgelaten zodat ze zeker niet hoorbaar zijn, en vrijwel niet meetbaar.
Hier zien wij het schema van een zeer smal kristalfilter opgebouwd uit 5 condensatoren en 4 kristallen.
Hieronder een foto van een smal filter met 5 kristallen voor de 40 meter band, met een bandbreedte van 3 kHz.
