Kwarts is een kristalijn materiaal dat door de structuur op atomair niveau een wonderlijke eigenschap bezit; het is piëzo-elektrisch. Een extern aangebracht elektrisch veld zal het kristal doen resoneren. En wel met een uitermate nauwkeurige frequentie. Frequentie toleranties van 200 ppm tot 10 ppm (parts per million) zijn gangbare waarden. Vandaar dat kristallen (xtals, kwarts, quartz, crystal) zo veelvuldig als frequentie referentie in allerhande elektronische schakelingen wordt gebruikt. Van polshorloges tot laptops en van radio’s tot DVD-spelers.
Het vereenvoudigde elektronisch equivalent van een kristal is een serieschakeling van een R, L en een C. De bijbehorende waarden zijn niet alledaags: voor een 1MHz kristal wordt R 340 Ohm, L 3,5 Henry en C maar liefst 0,007 picoFarad. De bijbehorende kwaliteitsfactor Q wordt dan 2πƒL/R = 64647. Probeer dat maar ‘ns met een LC kringetje te bouwen ! Knappe meneer die een Q hoger dan 200 haalt.
Fig. 1 X-tal Collpits oscillator, serie resonantie
De schakeling hierboven toont een kristaloscillator in zijn puurste vorm. Met de 50p trimmer lukt het de resonantiefrequentie van het kristal enige kHz te veranderen. Een bekend foefje om de frequentie enige tientallen kHz te verstemmen is het in serie opnemen van een spoel met een waarde die meestal tussen de 10 en 40 μH ligt.
In sommige schakelingen worden meerdere Xtals van dezelfde waarde parallel geschakeld. Er wordt dan een nog groter instelbereik geclaimd.
Er bestaat nog een manier om de oorspronkelijke resonantiefrequentie te veranderen. Om wat exacter te zijn; te verlagen.
Door het kwartslichaam met een viltstift te “ beschrijven “ is redelijk nauwkeurig de resonantiefrequentie te verlagen. Met deze methode is het mogelijk een verlaging tot ongeveer 100 KHz te realiseren. Om bij het kwartslichaam (een schijfje van 0,2 mm dikte een een doorsnede van 8 tot 15 mm) te kunnen komen moet eerst het metalen kapje verwijderd worden. Dat is me op twee manieren gelukt: met een slijpsteentje en met een metaal (“ baby” ) zaagje. Uiteindelijk vond ik de zaagmethode nog het eenvoudigst (kristal in bankschroef geklemd). De zaagsnedes moeten een mm of 2 boven het kristal-voetje gemaakt worden. Een en ander vereist wat geduld maar het is prima mogelijk. Zie figuur 2 voor wat voorbeelden. Op het kwartslichaam kan voorzichtig met de viltstift inkt worden aangebracht. Het makkelijkst gaat dat als het kristal in een actief oscillator circuit is opgenomen. Met elke vilstiftstreep zie je de oscillatorfrequentie enige kilohertzen zakken. Wacht na het aanbrengen van een nieuwe streep een aantal minuten. Het oplosmiddel moet eerst verdampt zijn voor de de werkelijke nieuwe resonantiefrequentie zich toont. Soms is er erg veel inkt met erg veel oplosmiddel aangebracht. De oscillator zal dan afslaan. Enige minuutjes wachten en de oscillator zal weer inschakelen.
Beide zijden van het kwartslichaam kunnen van een inktlaagje voorzien worden. De aangebrachte extra massa van de inkt zorgt voor de verlaging van de resonantiefrequentie. Maar let op; er komt een moment – ergens tussen de 80 en 100 KHz verlaging – dat de oscillator “ afslaat . Je hebt dan een inactief kristal gekregen. Door nu wat inkt met aceton (nailpolish remover, nagellak verwijderaar) te verwijderen kan het kristal weer bruikbaar gemaakt worden.
Kies de resonantiewaarde ongeveer 300 Hz hoger dan de gemeten waarde. Soldeer vervolgens met beleid het kapje weer terug op het kristal. Als het even meezit zal de resonantiefrequentie nu exact op de gewenste waarde uitkomen.
Inmiddels ben ik erachter dat de huis-tuin-en-keukenstiften goed bruikbaar zijn (b.v. Edding en CD-rom markers). Door het gebruik van verschillende kleuren kun je prima de volgorde van de aangebrachte patronen vastleggen. Ook kun je verschillende lagen inkt over elkaar heen aanbrengen (zolang het kristal nog actief blijft).
Een 8.867 MHz kristal liet zich in 7 stappen naar een kristal van 8.793 MHz “ ombouwen “ (74 KHz verlaging van ƒres). Een 10.245 MHz kristal kon ik naar een 10.150 MHz “ompennen”.
Een nieuw circuit moest eraan te pas komen om de gewenste 10.140 MHz te bereiken. In fig 3 is het circuit getekend dat het mogelijk maakte een omgepend 10.245 MHz xtal in de gewenste resonantiefrequentie van 10.140 MHz te forceren. Later is het met deze schakeling zelfs gelukt een 10.240 MHz xtal naar een 10.050 KHz xtal om te zetten (190 KHz lager !!). Met C2 wordt de oscillator in trilling gebracht. C1 maakt een exacte afstemming mogelijk (ongeveer 5 KHz bereik).
Fig. 3 Xtal oscillator met 74HCT4060
De gewenste resonantiefrequentie met het oscillatortje in beeld:
10.140 MHz
En jawel hoor…10.140 MHz !!
Edding stift Opengewerkt wil ook nog wel eens lukken
Al met al een leuk experiment en je krijgt zo nog eens wat kristallen met exotische waarden in huis.