AMATEURTELE.COM
...if your desired language isn't available, the alternative language will be shown...
Nederlands
informatie pagina voor experimenteel radio-onderzoekers
- - -

crystals

Nederlandse kristallen permalink: http://www.amateurtele.com/index.php?artikel=224&id=#978
Een kristal is een elektronica component dat gebuikt wordt om een constante frequentie te genereren. Het component wordt een kristal genoemd omdat het werkzame deel een klein plaatje kwarts kristal is. Vaak wordt een kristal weergegeven als x-tal of X. Een XO is bijvoorbeeld een X-tal Oscillator ofwel een kristal oscillator.

verpakking
Het stukje kristal is vaak in een metalen behuizing verpakt met twee aansluitingen. Hieronder staat een foto met een aantal uitvoeringen. De glazen verpakking is van een erg grote uitvoering van een kristal. Het is een 1 MHz kristal van HP dat oorspronkelijk in een oven is geplaatst zodat bij 72'C een nauwkeurig signaal wordt verkregen. Vermoedelijk is het een kristal uit een HP 5245L frequentieteller. Dit kristal in een glazen behuizing is een uitzonderlijke en ongebruikelijke verschijning. Er is een groot plaatje kristal zichtbaar dat aan beide kanten met goud bekleed is. Daarnaast zijn drie andere (oudere) kristallen geplaatst die in voetjes gestoken kunnen worden. Zo is het mogelijk om bijvoorbeeld bij oudere radiozenders kristallen te kunnen wisselen. De twee kleinste kristallen zijn anno 2016 gebruikelijke maten van kristallen hoewel smd uitvoeringen ook steeds meer voorkomen. De rechthoekige verpakking links vooraan is een oscillator. Hier is geen aanvullende schakeling nodig om een gewenst signaal te verkrijgen. In de oscillator behuizing is al een schakeling geplaatst zodat er een direct bruikbaar signaal uit de verpakking komt. Dit kan in bepaalde gevallen praktischer zijn zoals voor de klokfrequentie van een microprocessor. Wederom zijn (veel) kleinere smd verpakkingen anno 2016 gebruikelijk.

image is loading...


de werking
Doordat er een kleine gelijkspanning op het kristal wordt gezet gaat het in een specifieke vorm geslepen stukje kristal fysiek trillen. Door het trillen van het kristal verandert de elektrische weerstand van het kristal waardoor, mij een gelijke spanning, de stroom door het kristal varieert in het ritme van de weerstandsverandering. Wanneer het kristal in een schakeling wordt gebouwd, dan is het mogelijk om zo een variŰrende spanning te maken. Deze frequentie van het gegenereerde signaal is vervolgens in een schakeling te gebruiken. De dikte en vorm bepalen het gedrag van het kristal. De frequentie wordt bepaalt door het kristal op maat te slijpen.

frequenties
Kristallen werken doorgaans van een paar kHz tot ongeveer 40 MHz. Hogere frequenties kunnen worden verkregen door het opgewekte signaal te vermenigvuldigen in een bepaalde shakeling. Als er bijvoorbeeld 36 MHz gewenst is, dan is dit te verkrijgen door en 12 MHz in een schakeling met drie te vermenigvuldigen tot 26 MHz. Hier moet wel rekening worden gehouden met de interne capaciteit van het kristal. Als een kristal zoals in dit voorbeeld op een overtoon werkt, dan moet het

temperatuurgevoeligheid
Kristallen genereren een stabiele frequentie, mits de spanning en temperatuur constant is. Kristallen zijn erg gevoelig voor temperatuursveranderingen. Het is mogelijk om de frequentieverandering te compenseren door een temperatuurgevoelige weerstand op te nemen in de schakeling zodat het kristal gecorrigeerd wordt en er een stabielere frequentie ontstaat. Ook is het mogelijk om een kristal in een oven te plaatsen, een OCXO (Oven Controlled X-tal Oscillator). Wanneer het kristal op een nauwkeurige temperatuur wordt gehouden, dan is de frequentie ook erg stabiel. Zo zijn betere (vaak duurdere) meetinstrument voorzien van een OCXO.

kwetsbaarheid
Een kristal is een mechanisch component dat beschadigd kan raken bij grote krachten. Wanneer een kristal valt, dan bestaat de kans dat een kristal kapot gaat of niet meer op de gewenste frequentie functioneert.

elektronische frequentiecorrectie
De resonantiefrequentie van een kristal is (beperkt) aan te passen. Door een condensator in serie te plaatsen met het kristal kan dat capaciteit van het kristal worden be´nvloed. Door de capaciteit te veranderen, verandert ook de eigenfrequentie. Dit kan met een variabele condensator, maar gebruikelijker is om een varicap diode toe te passen. Een varicap (ofwel varactor) verandert van capaciteit door de spanning op de varicap te veranderen. Zo is met een kleine gelijkspanning de frequentie van het kristal te corrigeren. Dit kan bijvoorbeeld met een variabele weerstand zoals een precisie/meer slagen potmeter. In radiozendontvangers (zoals de Yaesu FT-1500M) is een digitaal analoog converter geplaatst dat een digitaal signaal omzet in een gelijkspanning. Met deze gelijkspanning wordt de capaciteit van de varicap veranderd en zo ook de frequentie van het kristal aangepast. Zo kan via een digitale instelling in de microprocessor de frequentie van de lokale oscillator worden aangepast. Afregelen kan dan gebeuren in een software service menu zonder dat gereedschap nodig is om in het apparaat een instelling te veranderen. Variabele condensatoren en weerstanden kunnen verlopen waardoor periodiek afregelen nodig is, een DA-converter heeft hier geen last van waardoor het over het algemeen stabieler is. Door het afregelen kan de frequentie verandering door veroudering van het kristal worden gecorrigeerd.

mechanische frequentie aanpassing
Nieuwe kristallen worden op "frequentie geslepen". Dit slijpen is zelf (op een uitzondering na) niet uit te voeren. Vaak is het ook niet nodig omdat een kleine frequentie correctie door middel van verandering vna capaciteit voldoende is om het kristal op de gewenste frequentie te krijgen. Wanneer een specifieke frequentie gewenst is, kan deze op maat worden besteld. Maar enkelstuks kristallen zijn helaas aan de prijs. Er is in sommige gevallen een alternatief... Door het kristallen plaatje (een heel klein beetje) zwaarder te maken trilt deze langzamer waradoor de frequentie lager wordt. Uit een test is gebleken dat wanneer een kristallen plaatje voor de helf met een watervaste stift wordt "ingekleurd", de frequentie met ongeveer 50 kHz te verlagen is. Een minimaal streepje scheelt een paar Hz. Dus als het gewenste kristal niet aanwezig is, maar wel een kristal met een iets hogere frequentie, dan is het mogelijk om met de "stift truc" het kristal op frequentie te zetten. Uiteraard moet de behuizing van het kristal wel worden geopend om het kristal te kunnen bereiken. Met een varicap of variabele condensator kan ene eventuele kleine rest aanpassing worden gerealiseerd.

kristalfilters
Een andere toepassing waarvoor kristallen geschikt kunnen zijn is als kristalfilter. Wanneer het in een kristal ingevoerde signaal gelijk is aan de eigenfrequentie van het kristal, dan wordt het signaal doorgelaten. De overige frequenties, waarbij het kristal dus niet resoneert (trilt), worden tegengehouden. Zo ontstaat er een filter dat geschikt is voor een erg kleine bandbreedte en werkt op relatief hoge frequenties. Dit kan toegepast worden in het middenfrequent deel van een (zend)ontvanger om het signaal "smaller" te maken.

signalen
Hieronder staan een aantal signalen van kristallen zoals deze uit mijn kristaltester komen. Zoals zichtbaar is, kunnen de signaalvormen en spanningen verschillen. Een perfecte sinus is het zelden waardoor er vaak boventonen/harmonischen zijn. Filteren van het signaal is dus vaak wenselijk. Het voordeel kan zijn dat als een kristal geen zuivere sinus produceert er ook gefilterd kan worden op een boventoon. Zo kan bijvoorbeeld een veelvoud van de grondgolf worden gebruikt door alleen de gewenste, hoger liggende, frequentie door te laten.

image is loading...

Hierboven staat het signaal van de glazen uitvoering zoals bovenaan de pagina zichtbaar is. De tester werkt op 12 VDC en het uitgangssignaal is maarliefst 7,52 Vpp. Het is een bijzondere golfvorm dat sterk afwijkt van de verwachte (benadering van een) sinus. Het kristal is een aparte uitvoering en een aparte golfvorm is dan niet heel verrassend. Om uit het "vuile" signaal een zuiver 1 MHz signaal te verkrijgen is een aanvullend (laag doorlaat) filter netwerk nodig.

image is loading...

image is loading...

Hierboven staan twee gebruikelijk kristal signaal weergegeven. Het zijn geen zuivere sinussen omdat het iets meer naar een zaagtand toe gaat. Boventonen zijn hiermee te verwachten, maar dit is goed naar wens weg te filteren. De weergegeven signalen zijn redelijk gebruikelijk voor "normale" kristallen.

image is loading...

Hierboven staat het signaal van en ouder kristal. Dit is het signaal van het middelste van de drie kristallen op de foto met dikkere pennen zodat deze in een voetje kunnen worden gestoken. Niet is de spanning ook relatief groot, maar de golfvorm valt ook op. Net als bij het signaal van het "glazen kristal" kon de frequentieteller het signaal niet goed meten door de afwijkende golfvorm. Wederom is filteren van het nodig om een mooi bruikbare sinus te verkrijgen.

Nederlandse foto permalink: http://www.amateurtele.com/index.php?artikel=224&id=#979
image is loading...

Nederlandse signaalvormen permalink: http://www.amateurtele.com/index.php?artikel=224&id=#980
Hieronder staan een aantal schermafdrukken van een Rigol DS1054Z oscilloscoop en een Rigol DSA815-TG spectrum analyser. De linker en rechter afbeelding zijn van hetzelfde kristal. Het linker (scoop) beeld heeft het signaal in het tijd domein weer en het rechter (spectrum analyser) beeld geeft het signaal in het frequentie domein weer. Het gaat hier on het bijzonder om de vorm van de signalen. Het is duidelijk te zien dat hoe meer het signaal op een zuivere sinus lijkt, er zo min mogelijk overtonen zijn. Hoe grilliger de golfvorm, des te meer boventonen. Wanneer er voldoende diep in de ruis gemeten wordt zullen er waarschijnlijk nog veel meer harmonischen zichtbaar worden, maar dat is voor dit voorbeeld niet relevant. Met onderstaande afbeeldingen wil ik aangeven wat het effect is van de golfvorm op het frequentiedomein. Afhankelijk van de toepassing zijn boventonen gewenst of juist niet gewenst. Als er bijvoorbeeld een hoge stabiele frequentie gewenst is dat hoger is dan de grondfrequentie van een kristal, dan kan er gebruik worden gemaakt van een kristal met harmonigschen. Om bijvoorbeeld 600 MHz te verkrijgen kan de 50e overtoon van een 12 MHz kristal worden gebruikt, mits er voldoende harmonische aanwezig is bij 600 MHz. Uiteraard moet het signaal nog wel versterkt worden en door een 600 MHz band doorlaat filter worden geleid om de overige frequentie componenten te verwijderen.

image is loading...

image is loading...

image is loading...

image is loading...

image is loading...

image is loading...

open de afdrukbare pagina door hier te klikken


AmateurTele.com - © 1984...2020 - Build: 20190816