Immer mehr Produkte in unserem Alltag enthalten eine elektronische Steuerung, die immer öfter durch einen µ-Controller gesteuert wird. Das fängt bei dem Smartphone an und reicht über die Smartwatch bis hin zu Smart-Home-Anwendungen und Smart Metern. Dass die Geräte ohne Probleme funktionieren und reibungslos miteinander kommunizieren, davon gehen wir aus.
Damit jedoch alles einwandfrei funktioniert, muss jedes Detail aufeinander abgestimmt sein und jedes Bauteil passend ausgewählt werden. Quarze und Oszillatoren spielen dabei eine zentrale Rolle, da sie eine genaue und stabile Referenzfrequenz liefern. So gewinnt im Zeitalter des Internets der Dinge (IoT) die zeitlich präzise Steuerung sowie die Synchronisierung von vernetzten Geräten zunehmend an Bedeutung.
Quarz intern
Gerade für IoT-Anwendungen ist die zeitlich präzise Steuerung von entscheidender Bedeutung, sei es für die Datenprotokollierung, Echtzeit-Kommunikation oder Koordination von Sensornetzwerken, deren Sensoren in der Regel mit einer Funkschnittstelle ausgestattet sind, und die oft eine batteriebetriebene Spannungsversorgung aufweisen. Ein frequenzstabiler Quarzoszillator gewährleistet in derartigen Anwendungen eine zuverlässige Synchronisierung und ermöglicht eine effiziente Datenverarbeitung sowie eine optimale Kommunikation zwischen den Geräten.
Der Schwingquarz wird in der Regel in einer Pierce-Schaltung verbaut. Die Darstellung der Grundschaltung zeigt, dass sie im Wesentlichen aus zwei Teilen besteht: Das ist zum einen die Resonanzschleife, in der die eigentliche Oszillation stattfindet sowie zum anderen die Rückkopplungsschleife, die die Schaltung erst zum Schwingen anregt und sie danach weiter mit Energie versorgt, um Verluste in der Resonanzschleife auszugleichen. Der Quarz in der Resonanzschleife sorgt hierbei dafür, dass die Schwingung einzig bei seiner Resonanzfrequenz stattfindet, indem er ausschließlich bei dieser Frequenz seine höchste Resonanzgüte aufweist.
Ein repräsentatives Beispiel für ein kommerzielles IoT-Gerät sind die intelligenten Stromzähler oder elektronische Verbrauchszähler für Wasser- oder Heizkosten mit drahtloser Anbindung der Sensoren und drahtloser Ablesung und Übertragung der Verbrauchswerte. Smart Meter empfangen und senden Daten und sind somit in ein Kommunikationsnetz eingebunden. Die besonderen Anforderungen, die hierbei an den eingebauten Quarz oder Oszillator gestellt werden, sind: geringe Kosten, ein niedriger Stromverbrauch sowie eine hohe Frequenzstabilität.
Verschiedene frequenzbestimmende Bauelemente kommen in dem Konzept der Verbrauchsdatenerfassung zum Einsatz, um eine reibungslose Datenverarbeitung zu gewährleisten. In der Sensorik werden beispielsweise Stimmgabelquarze für den Betrieb des RTCs verwendet, beispielsweise zur Steuerung der Wach- und Standbyphase der Sensoren. Des Weiteren werden oft AT-Cut MHz Quarze für den Betrieb des Prozessors und der Funkschnittstelle eingesetzt.
Insbesondere für die Funkkommunikation empfiehlt es sich, geeignete Quarze mit hoher Frequenzstabilität und einem sehr niedrigen Resonanzwiderstand zu verwenden, die speziell für die Anforderungen von IoT-Anwendungen (Wireless-Anwendungen) entwickelt wurden. Typische Frequenzen sind zum Beispiel 24,0 / 26,0 / 32,0 / 37,40 / 38,40 oder 40,0 MHz, die meist in Wireless-Anwendungen wie Bluetooth low Energy (BLE), Bluetooth Smart, Zigbee, ISM, LoRa, LPWAN und so weiter eingesetzt werden.
Die drahtlose Kommunikation über zum Beispiel ein 4G/LTE-Mobilfunknetz direkt in die Cloud oder WLAN (WLAN-Router) erfordert hingegen meist den Einsatz eines sehr frequenzstabilen TCXOs oder VCTCXOs.
Die oben erwähnten Smart Meter rückten jüngst ins Zentrum der Aufmerksamkeit, da die Bundesregierung Ende Mai beschloss, den Einbau der modernen Stromzähler vorzuschreiben. Damit der Quarz in IoT-Geräten reibungslos und zuverlässig schwingt, müssen beim Design der Leiterplatte einige Parameter beachtet werden:
Quarz und Stromverbrauch
Der Stromverbrauch ist insbesondere bei batteriebetriebenen Anwendungen ein wichtiger Faktor. Die Wahl des richtigen Quarzes mit der auf die Applikation abgestimmten Spezifikation hilft dabei, die Stromaufnahme gering zu halten. In batteriebetriebenen Geräten kann beispielsweise durch geeignete Wahl des Taktgebers die Lebensdauer der Batterie verlängert werden, um die Betriebszeit des Geräts zu optimieren. Die Kombination von energieoptimierten µ-Controllern in Verbindung mit Uhrenquarzen ist oft die passendste Lösung.
Der Einfluss einer energiesparenden Quarzschaltung ist aber auch für netzgebundene Geräte nicht zu unterschätzen, denn der Stromverbrauch des Gesamtgeräts wirkt sich maßgeblich auf die Stromkosten aus. Folgende Rechnung verdeutlicht diese Auswirkungen an unserem Beispiel der Smart Meter: Jeder der angedachten 53 Millionen in Deutschland installierten Zähler wird mit ein bis zwei Watt Strom betrieben. Bei einem Watt Verbrauch über 24 Stunden pro Tag mal 365 Tage im Jahr ergibt sich ein Verbrauch von rund 8,8 KWh pro Jahr für den Betrieb eines Zählers. Legt man den durchschnittlichen Preis von 0,30 € pro Kilowattstunde zugrunde, sind das 2,64 € pro Jahr.
Nun scheinen 2,64 € nicht viel zu sein, aber multipliziert mit 53 Millionen Zählern ergeben sich daraus runde 140 Millionen € an Stromkosten allein für den Betrieb der Zähler. Eine Stromeinsparung von nur 10 Prozent über ein Jahr ergibt eine Einsparung von 14 Millionen €. Wir sehen: Die Verwendung eines effizienten Prozessors gepaart mit der geeigneten Taktung kann zu einer Reduzierung des Stromverbrauchs und damit auch zu Kosteneinsparungen führen. Wird also eine stabile Frequenz mit einem möglichst stromsparenden Bauteil benötigt, so fällt die Wahl in der Regel auf eine Oszillatorschaltung mit einem 32,768 kHz Schwingquarz.
Außerdem ist das Anschwingverhalten des Taktgebers in Oszillatorschaltungen ein wichtiger Faktor. Bei der kleinsten zur Verfügung stehenden Versorgungsspannung soll der Quarz möglichst schnell anschwingen und dann eine gute Frequenzstabilität über den gesamten Temperaturbereich aufweisen. Jedoch kann es bei den quarzspezifischen Parametern zu Wechselwirkungen mit der Treiberschaltung kommen.
Wechselwirkung der Parameter
Der Effekt der Miniaturisierung der Schwingquarze wird oft unterschätzt. Eine Verkleinerung der Größe bedeutet üblicherweise auch eine Verkleinerung der im Inneren verbauten Quarzscheibe (auch Quarzblank genannt). Dies führt in der Regel zu einer Erhöhung des ESR-Wertes (Equivalent Series Resistance). Gerade dieser Serienwiderstand sollte
aber so gering wie möglich sein, um einen hohen „Q“-Wert und ein zuverlässiges Anschwingen zu gewährleisten. Außerdem ist zu beachten, dass ein höherer ESR-Wert den Stromverbrauch der Treiberschaltung erhöht. Denn um den Quarz in Schwingung zu halten, muss er permanent mit Energie versorgt werden, da ein höherer ESR größere Verluste verursacht, die wieder entsprechend ausgeglichen werden müssen.
Die anwendungsspezifischen Anforderungen an den kHz-Oszillatorentwurf können durch die Verwendung geeigneter Quarze optimiert werden. Diese Anforderungen beziehen sich auf die Genauigkeit, wie beispielsweise die Frequenzstabilität über den Temperaturbereich. Zudem kann mit Hilfe eines niedrigeren ESR-Wertes (Equivalent Series Resistance) der Schwingsicherheitsfaktor beim Anlaufen der Oszillation deutlich verbessert und der Stromverbrauch bei batteriebetriebenen Geräten optimiert werden. Es gilt: Quarze mit besonders niedrigem ESR und geringer Lastkapazität haben in der Regel die kürzeste Anlaufzeit und verbrauchen in der Praxis am wenigsten Strom.
Jauch Quartz bietet verschiedene Lösungen in unterschiedlichen Formfaktoren für die Herausforderungen des Oszillator-Designs an. Hierzu gehören die temperaturkompensierten Oszillatoren der JT21ET(E) oder der JT21CT Serie für den Einsatz in der Funkkommunikation über 4G/LTE-Mobilfunknetz oder die WA-Quarze (optimierte Quarze für Short-Range-Wireless-Anwendungen) für die Kommunikation mit den Sensoren und die Uhrenquarze für die RTC-Anwendung. Da die kontinuierliche Miniaturisierung elektronischer Geräte ein Ziel der meisten Entwickler ist, sind diese Bauelemente in verschiedenen Formfaktoren im Produktportfolio verfügbar. Jauch verfügt über kHzStimmgabelquarze bis zu 1,6 x 1,0 mm im Produktportfolio, MHz-Quarze bis zu 1,2 x 1,0 mm. Selbst die TCXOs können im kleinen 2,0 x 1,6 mm Gehäuse gefertigt werden.
Der weit verbreitete Standardtyp für den kHz-Quarz ist der JTX310, der einen ESR von 70 kOhm bietet. Darüber hinaus ist es den Ingenieuren gelungen, trotz gleichzeitiger Miniaturisierung auf Wunsch einen ESRWert von nur 50 kOhm zu garantieren. Das entspricht einer Verbesserung von circa 30 Prozent gegenüber dem üblichen ESR-Wert von 70 kOhm bei einem nur 3,2 x 1,5 mm großen Stimmgabelquarz. Solche Stimmgabelquarze mit optimiertem ESR eignen sich daher beispielsweise hervorragend für portable Anwendungen mit Batteriespeisung. Die Uhrenquarze werden mit der gebräuchlichsten Lastkapazität von 12,5 pF hergestellt und sind auch mit Nenn-Lastkapazitäten von 9,0 pF, 7,0 pF 6,0 pF und 4 pF erhältlich. Ebenfalls direkt ab Lager erhältlich ist der verbreitete SMQ32SL, der in verschiedenen Spezifikationen zur Auswahl steht.
