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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Schülerversuch Resonanz an Quarz


Autor: Hannes (Gast)
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Hallo,

ich soll einen Schülerversuch aufbauen, bei dem die Schüler die 
Resonanzfrequenz messen soll. Es gibt einen Versuchsaufbau Aufbau 1, 
allerdings liefert der kein verwertbares Ergebnis.
Meine Frage:
Hat jemand eine Idee warum es zu keinem Ergebnis kommt, oder kann mir 
jemand einen alternativen Aufbau empfehlen? Es soll über Koaxialkabel 
eine Sinusspannung auf einen Schwingquarz gegeben werden und über ein 
zweites Koaxialkabel soll quasi der Widerstand des Kristall gemessen 
werden.

Ich hoffe es wurde halbwegs klar was verlangt ist. Ich bin für jede 
Hilfe dankbar

: Verschoben durch Admin
Autor: Frank Schlaefendorf (Firma: HSCS) (linuxerr)
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Das kann nicht funktionieren, denn du schliesst dein Eingangssignal am 
koax-input nach Masse kurz und dein Quarz liegt dort auf Massepotential. 
Der Eingangssinus wird im Widerstand am Eingang verbraten.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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> bei dem die Schüler die Resonanzfrequenz messen soll.
Welche denn? Die Serien- oder die Parallelresonanz?

Wie auch immer: ich würde das einfach mit einem Spannungsteiler 
probieren:
  in o------|[]|-----o-----o out
                     |
                     -
                    | |
                    | |
                     -
                     |
 GND o---------------o-----o GND

Die formal richtige Methode wäre nach DIN IEC 444-1:
http://www.qsl.net/dk1ag/Kap4.pdf
aus
http://www.qsl.net/dk1ag/buch.html

Autor: Hannes (Gast)
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Gut dann bin ich doch nicht ganz unwissend. Ich dachte mir schon dass 
der Aufbau nicht so ganz hinhauen kann.
Aber den anderen Aufbau mit dem Spannungsteiler habe ich mir auch schon 
überlegt und aufgebaut, aber seltsamer Weise bekam ich da auch kein 
wirkliches Ergebnis. Wie muss ich denn den Widerstand dimensionieren? 
Vielleicht habe ich da einen Fehler gemacht.
Ob Parallel oder Serienresonanz ist eigentlich egal. Es soll in dem 
Versuch nur das Phänomen Resonanz sichtbar werden.

Autor: Hannes (Gast)
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Vielleicht hilft es auch wenn ihr wisst was für einen Quarz ich habe.

http://www.conrad.de/ce/de/product/168467/QUARZ-32...

Autor: Gast123 (Gast)
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Quarze haben eine sehr geringe Bandbreite, was ja durchaus gewünscht 
ist. Kann es sein, dass die Frequenzschritte der Testspannung einfach so 
groß sind, dass man die Resonanzfrequenz überspringt?

Autor: Hannes (Gast)
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Das hab ich mir auch schon gedacht. Also ich habe es in einem Bereich um 
die 32,768KHz in 0,001KHz Schritten abgetastet. Aber vielleicht zu 
schnell. Wie lange dauert es denn bis der Quarz "reagiert"?

Autor: Olibert E. (olibert)
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Hannes schrieb:
> Wie lange dauert es denn bis der Quarz "reagiert"?

So schnell, dass das sicher nicht das Problem ist. Wie bestimmtst du die 
Resonanz in deinem Testaufbau ?

Nehmen wir z.B die von Lothar vorgeschlagene Schaltung mit 
angeschlossenem Oszilloskop am Ausgang. Bei Resonanz wird die Amplitude 
am Ausgang deutlich ansteigen.

Autor: Hannes (Gast)
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Ich habe mir den selben Aufbau überlegt und getestet den Lothar 
vorgeschlagen hat. Abgesehen davon dass ich mit dem Oszi über den Quarz 
abgegriffen hab (sollte doch keinen Unterschied machen, oder irre ich 
da?). Und dabei habe ich den Freuquenzbereich um die 32,768KHz in 
1Hz-Schritten durchfahren. An meinem Oszi blieb das angezeigte Signal 
allerdings immer konstant.
Der Quarz ist neu und ich habe es auch schon mit einem zweiten 
baugleichen Quarz versucht.

Autor: Flo (Gast)
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Könnte vielleicht sein dass deine Resonanzfrequenz sich durch die 
Kapazität deines Oszieingangs verschoben hat?

Autor: Hannes (Gast)
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Die Idee hatten wir ebenfalls schon. Allerdings weiß ich nicht wie ich 
das prüfen könnte ohne den ganzen Frequenzbereich zu durchfahren. Wenn 
da einer Idee hätte könnte ich das noch prüfen.

Autor: Olibert E. (olibert)
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Hannes schrieb:
> Ich habe mir den selben Aufbau überlegt und getestet den Lothar
> vorgeschlagen hat. Abgesehen davon dass ich mit dem Oszi über den Quarz
> abgegriffen hab (sollte doch keinen Unterschied machen, oder irre ich
> da?).


Doch macht es. Falls GND des Frequenzgenerator und des Oszilloskop ueber 
den Schutzleiter verbunden sind, hast du den Widerstand überbrückt. 
Ausserdem ist es unschön direkt am Quarz zu messen, da dieser durch die 
Oszilloskop-kapazität gezogen wird.

Autor: Hannes (Gast)
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Aha. Vielen Dank. Dann werde ich das mal der Tage unter die Lupe nehmen. 
Wäre echt super wenn es daran liegt.
Ich melde mich dann sobald ich weiß ob es so funktioniert. Aber schon 
mal vielen Dank an alle die so fleißig geholfen haben.

Autor: Detlef _a (detlef_a)
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nen Wald-und Wiesenquarz hat 50ppm Schieflage und ähnliche Ziehfähigkeit 
über den Temperaturbereich, entsprechend ca. 1.6Hz. Wie steil das Loch 
im Impedanzverlauf nun wirklich ist entzieht sich meiner Erfahrung, aber 
möglicherweise triffst Du die Frequenz mit den 1 Hz Schritten nicht 
genau genug um es zu sehen. Vorschlag: aufs Datenblatt kucken wo der 
Quarz mit den  Betriebsbedingungen hinwandern kann und diesen schmalen 
Frequenzbereich genauer abfahren. Oder einfacher nen networkanalyzer 
hinzuziehen, dann können die jungen leute auch mal mit moderner Technik 
arbeiten ;-).

gute Nacht
Detlef

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Hannes schrieb:
> Und dabei habe ich den Freuquenzbereich um die 32,768KHz in
>
> 1Hz-Schritten durchfahren.

Zu grobes Raster.


> An meinem Oszi blieb das angezeigte Signal
>
> allerdings immer konstant.


Klar. Grund: Siehe oben.

Autor: Di Pi (drpepper) Benutzerseite
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Um das Phänomen "Resonanz" zu zeigen wäre etwas (gröber) mechanisches 
vielleicht anschaulicher. Beim Quarz sieht man ja nicht wirklich etwas 
"schwingen". Für Schüler sind solche Messkurven und Bode-Diagramme 
ziemlich abstrakt und langweilig, wenn man nicht die visuelle 
Beobachtung damit vergleichen kann.

Wie wäre es mit einem Feder-Masse-Dämpfer System in Form einer weichen 
Feder, an der ein gewicht hängt, und deren oberes ende harmonisch 
ausgelenkt wird (evtl. mit Motor und Pleuelstange)? Die Systemreaktion 
könnte dann mit Ultraschall oder anderen Abstandsmessungen aufgezeichnet 
werden.

Autor: Hannes (Gast)
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Ich hätte den Versuch auch lieber etwas anders gestaltet, allerdings 
habe ich da keinen Einfluss drauf. Ich muss diesen Versuch im Rahmen 
meiner Hiwi-Stelle zum laufen bringen und die wollen es nunmal mit einem 
Quarz machen.

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Ein 4 MHz Quarz macht es Dir evtl. leichter wenn Du nur mit 1 Hz 
stepwidth arbeiten kannst.

Autor: Helmut S. (helmuts)
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Hannes schrieb:
> Das hab ich mir auch schon gedacht. Also ich habe es in einem Bereich um
> die 32,768KHz in 0,001KHz Schritten abgetastet. Aber vielleicht zu
> schnell. Wie lange dauert es denn bis der Quarz "reagiert"?


Hallo,
falls deine Widerstände 50 Ohm hatten und du ein paar Volt draufgegegben 
hast, dann ist dein Quarz jetzt kaputt.
Bei 50Ohm solletst du da nur mit wenigen 100mV arbeiten, da diese 
Uhrenquarze nur sehr wenig Leistung verkraften.

Autor: Hannes (Gast)
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Um die Leistung habe ich mich gekümmert und den Widerstand 
dementsprechend dimensioniert. Das sollte eigentlich kein Problem sein.

Einen 4Mhz könnte ich auch mal probieren.

Autor: Di Pi (drpepper) Benutzerseite
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Wie hast du die Widerstände denn dimensioniert (auch Formel), und welche 
Spannung hast du angelegt?

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Helmut S. schrieb:
> Hannes schrieb:
>> Das hab ich mir auch schon gedacht. Also ich habe es in einem Bereich um
>> die 32,768KHz in 0,001KHz Schritten abgetastet. Aber vielleicht zu
>> schnell. Wie lange dauert es denn bis der Quarz "reagiert"?
>
>
> Hallo,
> falls deine Widerstände 50 Ohm hatten und du ein paar Volt draufgegegben
> hast, dann ist dein Quarz jetzt kaputt.
> Bei 50Ohm solletst du da nur mit wenigen 100mV arbeiten, da diese
> Uhrenquarze nur sehr wenig Leistung verkraften.

Und ein 32 kHz Qurz auch im Resonanzfall deutlich über 50 Ohm liegt ,-))

D.h. man(n) hat dann einen massiven Spannungsteiler, irgendwo habe ich 
noch ein altes science paper das etwas von etlichen kOhm bei 32kHz 
schreibt.

Autor: Hannes (Gast)
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Ich habe eine Maximalleistung von 1uW und habe eine Spitzenspannung von 
100mV verwendet mit einem Widerstand von etwas mehr als 13 Kiloohm

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Hannes schrieb:
> Ich habe eine Maximalleistung von 1uW und habe eine Spitzenspannung von
> 100mV verwendet mit einem Widerstand von etwas mehr als 13 Kiloohm


Wäre ja in der richtigne Größenordnung.

Ok, mangels 32 kHz Quraz kann ich es nicht mal eben nachstellen.

Schlage daher vor, Du nimmst einen Quarz im Bereich 1 bis 5 MHz, sofern 
zur Hand und versuchst es erneut.
Da könnte man dann ggfs. das Szenario daheim nachstellen.

Autor: Hannes (Gast)
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Alles klar ich nehm dann nen anderen Quarz. Und greife über den 
Widerstand ab und nicht über den Quarz selbst. Hoffentlich klappt es 
dann =)

Autor: Ralph Berres (rberres)
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Wenn der Quarz wirklich nur 1Hz Bandbreite hat, braucht er schon einige 
Sekunden zum Einschwingen.
Je kleiner die Bandbreite und je höher die Güte. desto länger die Zeit 
bis er sich aufs Maximum eingeschwungen hat.

Das ist aber bei jeden schwingunsfähigen Gebilde so.

Ralph Berres

Autor: Frank Schlaefendorf (Firma: HSCS) (linuxerr)
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Mal so nebenbei als Tipp, vielleicht ist es für ein Schülerexperiment 
evtl sinnvoller keinen quarz, sondern einen Keramikresonator 
(Keramikfilter) zu verwenden, die sind etwas breitbandiger und man 
findet den Resonanzpunkt besser. Vielleicht sogar einen billigen 
Piezosummer, die liegen so bei 2kHz und haben eine sehr breite 
Resonanzkurve, da kann man wenigstens mehrere Messwerte aufnehmen und 
erhält eine Aussagekräftige Kurve. Oberwellenresonanz sollte man damit 
auch hinbekommen und man "hört" die Resonanz. Das ist für ein 
Schülerexperiment evtl besser geeignet.
Wenn es jedoch um einen Qurtz gehen muss, dann vergiss meine Bemerkungen 
;-)

Autor: Hannes (Gast)
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Danke für den Tip. Ich werde es mal ansprechen ob sich der Versuch nicht 
doch etwas umgestalten ließe. Vielen Dank.

Autor: Georg A. (Gast)
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Oder dann gleich verschiedene Schwingkreistypen mit unterschiedlichen 
Güten  anpingen und schauen, wo der Dip entsteht und wie steil er ist. 
Sonst bekommt man kein Gefühl dafür, ob und wie sowas im schnellen Scan 
aussieht. Also zB. LC mit theoretisch gleicher Resonanzfrequenz aber 
passenden/unpassenden LC-Verhältnissen, irgendein RFID-Ding (Keycard, 
Anti-Diebstahletikett), dann Keramikschwinger, dann Quarz. So eine 
Quarzresonanzfrequenz ist schon am schwersten zu finden, wenn sie nicht 
über ihr eigenes Feedback angeregt wird...

Autor: Hannes (Gast)
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So, wie versprochen melde ich mich nochmal um zu sagen, dass es nun 
endlich funktioniert und zwar sehr gut. Habe die von  Lothar Miller 
vorgeschlagene Schaltung verwendet mit einem 8MHz Quarz. Dann mal 
herzlichen Dank an alle.
Ist echt ein super Forum.

Autor: faustian (Gast)
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Noch ein praktischer Hinweis: Am Quarz kann in Resonanz 
Spannungsueberhoehung auftreten, nicht wundern und auch keinen 
hochsensiblen Aktivtastkopf da anschliessen.

Zum Testen des Quarzes, nimm die Colpitts-Darlington-Geschichte aus 
http://www.axtal.com/data/publ/ukw1979_e.pdf. Ist nicht besonders 
sinusfoermig ohne Feintuning, schwingt dafuer mit so ziemlich allem 
zwischen 3 und 25 MHz....

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