piezo schrieb:
> Ich lege eine feste Spannung an (sagen wir 5V) und dadurch wird mein
> piezoelektrische Material durch den inversen Piezoeffekt verformt. Dies
> jedoch sorgt für eine "Spannungsänderung", wegen dem direkten
> Piezoeffekt. Ab hier würde das ganze jedoch wieder von vorne losgehen.
Ja, aber schwingen tut der Piezo nur, wenn du eine Wechselspannung
verwendest. Viele der Piepser in Weckern etc. funktionieren so.
Es gibt auch Piezoelektrische Elemente, die mit einer variablen
Gleichspannung angesteuert werden und dann als Positionierer dienen.
Z.B. wurde die Spurlage des Magnetkopfes im VHS-Videorecorder damit um
ein paar µm justiert.
Piezostapel betätigen auch die Nadelventile von Einspritzermotoren in
KFZ.
Ein Schwingquarz ist lediglich ein sehr verlustarmer mechanischer
Resonator, der auch piezoelektrische Eigenschaften hat.
Die Resonanzfrequenz wird durch die mechanischen Abmessungen festgelegt
und i.d.R. durch Abschleifen sehr fein eingestellt.
Auf den Kristall aufgedampfte Metallelektroden ermöglichen es sowohl
durch das Anlegen einer elektrischen Spannung den Quarzkristall zu
verformen, als auch eine Verformung als elektrische Spannung
festzustellen.
Bei den 32kHz-Stimmgabelquarzen, wie sie heute in den meisten Quarzuhren
verwendet werden, evakuiert man das Gehäuse, um die Abstrahlung von
(Ultra-)Schall und die daraus resultierende Dämpfung zu vermeiden.
Auf diese Weise kann man erreichen, dass eine einmal angeregte
Schwingung erst nach 80.000 bis 100.000 Perioden um 30% abgeklungen ist.
Ein Nebeneffekt davon ist, dass die Resonanz sehr schmal und die
Resonanzfrequenz sehr konstant ist.
Man kann diesem mechanischen und mit Elektroden versehenen Resonator ein
elektrisches Ersatzschaltbild zuordnen, das aus der Reihenschaltung
einer Induktivität, einer Kapazität, und einem für die Verluste
verantwortlichen Widerstand besteht.
Im Falle des erwähnten Uhrenquarzes liegt die Induktivität des
Ersatzschaltbildes im Bereich von einigen Kilohenry, und die Kapazität
hat die Größenordnung Femtofarad. Der Verlustwiderstand beträgt einige
hundert Ohm.
Um aus solch einem mit Elektroden versehenen Quarzkristall einen
Quarzoszillator zu machen, muss man nur noch die bei jeder Schwingung
verloren gegangene Energie im "richtigen Moment" ersetzen.
Ein einzelner Transistor reicht dafür völlig aus.
Den "richtigen Moment" erwischt man, indem man die Phasenverschiebung
von Strom und Spannung auswertet, was schaltungstechnisch zum Glück sehr
einfach ist.
Unterhalb der Resonanzfrequenz hat der Quarz (und das Ersatzschaltbild)
kapazitive Eigenschaften und einen sehr hohen Scheinwiderstand.
Oberhalb der Resonsanzfrequenz hat der Quarz (und das Ersatzschaltbild)
induktive Eigenschaften und ebenfalls einen sehr hohen Scheinwiderstand.
Nur genau bei der Resonanzfrequenz heben sich der induktive und der
kapazitive Blindwiderstand gegenseitig auf und nur der relativ niedrige
Verlustwiderstand bleibt übrig.
Deshalb ist der Quarz auch nur bei der Resonanzfrequenz niederohmig und
man kann nur dort die zum Entdämpfen nötige Energie zuführen.
Auf Feinheiten wie den Unterschied von Parallel- und Serienresonanz, die
den Einfluss der Elektroden- und Zuleitunskapazitäten berücksichtigen
und zu geringfügig verschiedenen Schwingfrequenzen führen, will ich hier
nicht eingehen. Bei heutigen Oszillatorschaltungen wird meist die
Serienresonanz genutzt.
