De Kwarts bij oscillator en filtre

Verbazend mineraal met bijzondere toepassingen in radioelectronica. Zelfs zozeer dat Xtallen (Kwartsen) niet meer weg te denken zijn.
Hiernaast zoals de natuur ons dit materiaal presenteert. Er moet flink wat aan gewerkt worden voor dat het voor ons nuttig wordt.

Dit is het eindprodukt zoals wij dat zullen gebruiken. Het Xtal zit natuurlijk binnen in de houder. Andere vormen zijn mogelijk.


Samenstelling :

Een kwarts is samengesteld uit silicium oxide, SiO2, en eigenlijk zeer verspeid over de ganse aarde en in de natuur te vinden. Het is een zeer hard en bros materiaal , daarom omzichtig te behandelen en moeilijk bewerkbaar. Dit verklaart de te betalen prijs om Xtal op maat te laten maken, maar het kan.

Piëzo elektrische eigenschap :

Dit is de bijzondere eigenschap van het kwarts. Het betekend dat als we een kracht brengen op het kwarts zoals hiernaast getoond (rode pijltjes) dan verschijnen er ladingen op die contactpunten van tegengestelde polariteit.

Als we nu omgekeerd een trekkracht toepassen dan gebeurt het zelfde maar de polariteit is dan wel omgekeerd.
In beide gevallen is de hoeveelheid lading (spanning) evenredig met de uitgeoefende kracht (lijkt logisch).
Bijzonderheid:
Het effect is omkeerbaar. Legt men een spanning aan op de klemmen van een kwarts dan stellen we een vervorming (mechanisch) vast welke evenredig is met de spanning. Het kwarts heeft als het waren een zekere elasticiteit. Het kwarts zal naar de oorspronkelijke vorm terug keren als er geen spanning aan de klemmen wordt toevoeren.
Dit alles is belangrijk. Het kwarts heeft een eigen frequentie (resonantie) afhankelijk van de mechanische eigenschappen welke op zijn beurt eigen zijn op de wijze waarop het kwarts behandeld werd. We gaan niet in details maar U zal soms horen over de wijze waarop een Xtal gemaakt wordt en termen als snede x, y of andere. Allemaal interessant maar voor de techneuten vooral.
Op het electrisch vlak :

Een Xtal wordt zoals hiernaast getoond voorgesteld. Het kwarts plaatje wordt tussen twee houders ingeklemd. Deze houders zijn met de buitenwereld verbonden via draadjes of stiften. Merk op de tekening dat die houders niets anders dan een voorstelling van capacitiet is. In de werkelijkheid is dat ook zo. Naast het Xtal hebben we steeds met een niet uit te sluiten capaciteit te maken. Dit is parasitair en ideaal zou deze nul moeten bedragen. We moeten er mee leven.

Het electrisch scheme van een kwarts Xtal :

Een Xtal kan men zoals hier links voorgesteld in schakelingen vervangen. De spoel L en C2 , daar zien we een parallel kring in. de spoel L en C1 is toch duidelijk een serie kring. C2 is de voorstelling van de houders van het Xtal. C1, L en R zijn eigen aan het Xtal zelf. C2 zal men in zekere maten klein houden maar dit kan maar beperkt. De elementen van het Xtal daar is weinig aan te doen. Het is evident dat beide kring soorten voor eigen resonantie kunnen werken.
Electrisch gedrag van een Xtal :
Indien we een in frequentie afstembaar wisselspanning voldoende hoog in frequentie aanleggen aan het Xtal, dan kunnen we het overeenkomstig gedrag bepalen. We merken :

Let: de curve is eigenlijk meer afgerond. Het gaat er hierom die bijzondere punten te belichten.
U merkt Fs voor de serieresonantie en Fp voor de paralle. Dit kan U afleiden uit wat hoger gezegd. Fs en Fp liggen eigenlijk zeer dicht bij mekaar. In serie is natuurlijk de impedantie minimaal en van R afhangend. C1 en C2 zorgen dat de frequentie parallel resonantie een weing hoger gelegen is.
Het miskennen van wat hier gezien heeft in het verleden heel wat zenders op een verkeerde frequentie doen uitzenden.
Alles gebeurt alsof we met een serieresonantie te maken hebben voor één bepaalde frequentie en met een andere lichtjes hoger gelegen parallelfrequentie. Deze beide frequentie zijn de resonatie frequenties van het quarts en kunnen beide volgens noodzaak gebruikt worden.
  • Zoals met andere afgestemde schakelingen heeft de kwarts ook een bepaalde kwaliteit eveneens kwaliteitsfaktor genoemd. Deze is zeer groot en U zal zich nog wel herinneren dat een hoge faktor gepaard gaat met een scherpe selectiviteit en belangrijke opslingering van stroom of spanning bij die resonantie. De berekening gebeurt met Lω/R. De grote orde licht tussen 104 en 106.
  • De omvang van een kristal bepaalt sterk de karakteristieken van dit.
  • Ook een kwarts zet energie om in warmte en men wordt er aan gehouden om hier rekening mee te houden.
Het nut bij gebruikt in oscillatoren:
Door de bijzondere eigenschappen als kwaliteitsfaktor en hierdoor de stabiliteit in frequentie is dit onderdeel uitermaten geschikt om oscillatoren te controleren. Wie zegt stabiele frequentie zegt tevens stabiele kwarts.
Basis frequentie of fundamentele frequentie :

De colpitts :

De basis frequentie is afhankelijk van de afmetingen van het quarts. Dit gegeven bepaalt de maximale frequentie welke kan bekomen worden. Immer niet moeilijk om te begrijpen: voor hoge frequentie zullen de afmetingen zeer klein worden maar de dikte van het lammel zal de beperking zijn. Tot 30 Mz kunnen we dit Xtal (kristal) nog wel op haar basis frequentie laten functioneren . Hoger moeten we het anders aanpakken. 
Hier rechts staat een Colpitts oscillator. De capaciteit in serie laat een zekere regeling van de frequentie toe. Voor de rest blijft het een Colpitts.

De Pierce :
Is een ander type oscillator. Merk het verschil. Er bestaan meerdere types van Xtal oscillatoren maar het verder uitdiepen zou ons te ver leiden. Er bestaan veelen goede boekwerken met beschrijvingen waar U beroep kunt op doen (zie RCL bib)

Een transistor en meerdere Xtallen :

Ik weet het, uw nieuwsgierigheid wordt geprikkeld. Hiernaast ziet U een montage waarbij één transistor en drie selecteerbare Xtallen gebruikt worden. Dit zien we steeds terug bij lokale oscillatoren nodig om bv meer dan één frequentieband ter beschikking te hebben.
De ingevoegde diodes hebben een bijzondere rol. Het Xtal wordt enkel beschikbaar in de kring ALS de diode geleidend gemaakt wordt door de 12 V DC. De instelbare condensator wordt via de geleidende diode aan de aarde verbonden en de trilkring van dat Xtal is gesloten. De serie weerstand zoals U wel ziet dient enkel om de stroom doorheen de diode te beperken. U merkt direct de Colpitts oscillator op. geen verdere uitleg dus.
De oscillator werkende op een harmonische :

Het werd reeds opgemerkt maar als de frequentie zoals gewenst te hoog wordt dan stelt er zich een mechanisch probleem. De dikte (vooral deze parameter) is beperkend. Door een truk omzeilen we dit probleem. Zoals het mogelijk is om met een muziek instrument hogere tonen te laten klinken (overtoon) is dit met een Xtal eveneens mogelijk. Langsheen de lengte van het Xtal laten we meer dan één golf als trilling ontstaan. Men laat het Xtal op een overtoon trillen.  U begrijpt dat dit soort Xtal wel enige mechanische voorzorgen behoeft. Het is mogelijk om een Xtal op de 3de, 5 de,... en zelfs 7 de overtoon doen werken. Praktisch toch? ( 3, 5 en 7 of harmonische 3, 5, 7). Een praktijk voorbeeld. Ons tweemeter FM toestel zou wel eens gebruik hebben gemaakt van een Xtal van 29 Mz maar geschikt gemaakt om op de vijfde harmonische te werken, kijk maar na).
Een voorbeeld van zo een schema met gebruik makend van een FET :

In de drain kring zien we de afgestemde kring samen gesteld uit de spoel en condensator. Men zal deze kring op de gepaste harmonische afstemmen van dit door het Xtal geleverde signaal er uit te halen. Natuurlijk merkt U de tweede spoel magnetisch aan de eerste gekoppeld. De energie op de harmonische wordttoe hier voor verder gebruik gekoppeld.
De VXO of hoe we de frequentie van een Xtal oscillator kunnen veranderen:

Een Xtal heeft twee resonanties, een serie en een parallel. Dat hebben we reeds gezien.
Ook hebben we gezien dat het mogelijk is om de resonantie frequentie een beetje te veranderen. Dat veranderen in frequentie stelt wel doordat de speling klein is een probleem . We moeten hier rekening mee houden.
Stel dat we voor gebruik in een twee meter toestel we vertrekken van een Xtal oscillator van pak weg 14 Mz. Om tot onze 144 Mz te komen moeten we deze frequentie gaan vermengvuldigen met 9. U moet wel weten dat, als we de Xtal oscillator over een bepaalde frequentie plage kunnen veranderen dat uiteindelijk deze plage mee door deze faktor 9 zal vermenigvuldigd worden. DUS: indien we het Xtal over 1000 Hz kunnen veranderen dat uiteindelijk op de antenne 9000 Hz frequentie verandering zal ontstaan.
Het gebruik van Xtal voor filter doeleinden (smalband) :
Xtallen worden niet enkel voor oscillatoren gebruikt. De bijzondere eigenschappen van dit onderdeel laat een gebruik bij filters met bijzonder resultaat toe. Men gebruikt deze techniek dan ook veelvuldig. Het kwarts heeft een zeer grote kwaliteits faktor, dat weten we. Zoals vroeger gezien moet een filter voor smalband een grote kwaliteit hebben. Kwartsen zijn eerder duur, daarom vinden we deze vooral bij kwalitatief goede toestellen terug. Waarden en eigenschappen zijn genormaliseerd.
Vooral het type voor 455 KHz zullen we frequent tegenkomen. Tevens worden ook vrij veel de 9 MHz, 10,7 MHz maar ook andere waarden tegengekomen.
Zulk een filter bestaat uit een reeks kwartsen met de bedoeling om de doorlaadband zo smal mogelijk te maken. Zoals U hiernaast ziet vrij eenvoudig. Het spreekt voor zich dat forse "Q" faktoren een "must" zijn.

Een pricipe schema

Enkele schema's uit de praktijk

Merk hieronder hoe een en ander in zijn werk zit als een RF door het filter gaat :

Hierboven de curve. Volgt de bijzonderheden van de eigenschappen van het Xtal als filter.

Centrale frequentie Deze frequentie in het midden van de band. Vb: 9 Mhz gebruikt voor zenders op de amateurband.
Aantal polen Het aantal Xtallen dat het filter gebruikt. Zes polig is in onze wereld gebruikelijk. Acht vinden we ook en vinden we bij de betere kwaliteit.
Invoeg verlies De verzwakking van het signaal door het filter ingevoerd. Dit is liefst minimaal maar niet te vermijden.
Ondulatien Variaties op de verzwakking van het filter in de doorlaatband . Minder er is hoe beter het filter.
Doorlaadband op -3 dB Bekijk de tekening hierboven en het zal wel duidelijk worden. De drie db band valt tussen F2 en F3.
Doorlaadband op -60 dB Idem als hierboven maar voor 60 db. band ligt tussen F1 en F4.
Vormfaktor Deze cijfers verwijzen naar de helling van het filter. Moest deze helling vertikaal zijn dan zou dat ideaal zijn. Dit is NIET het geval. Men kan daar een waarde aan geven als volgt:
           F4 - F1
VF  =  _________
           F3 - F2
Impedantie op de uitgang Impedantie voor de belasting van het filter.
Impedantie aan de ingang Ingangsimpedantie van het filter, (600 Ω - gebruikelijke waarde)

Merkop: aanpassingen zijn belangrijk (staande golven, reflecties)

Faze Het verschil in faze tussen in en uitgang.
Group delay Vooral voor filters met een wat bredere band (Xtallen lichtjes in frequentie verschoven). Het gaat om de tijd nodig om het filter te doorlopen (gemoduleerd RF).
Bij filters hoeft het niet steeds om smalband Xtal (kwarts) filters te gaan. Er bestaan ook cheramische filters, minder kostelijk, minder in kwaliteit maar voldoende voor vele gebruiken. Weet dat een goed kwarts Xtal voor bv: 9 MHz met doorlaatband van 2,4 kHz op 3db wel 25 € kan kosten. 
een keramisch fiter voor 455 kHz Een Kwarts filter voor 10,7 MHz
U weet nu in een eerste faze voldoende om met kennis van zaken over kwarts enz te kunnen spreken.