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Schwingquarze 1. Einleitung 2. Schwingquarze 2.1 Aufbau und Funktion 3. Anwendungsbeispiele 3.1 Minisender 4. Literatur 1. Einleitung Wenn es nach den Physiklehrbüchern geht, so müssen die Schüler wissen, wie ein Massenspektrometer oder ein Zyklotron funktioniert, aber wie eine Quarzuhr oder eine Funkuhr tickt, erfahren sie nicht. Dabei sind alle diese Geräte, vom physikalischen Standpunkt aus betrachtet, technische Anwendungen elektrischer und magnetischer Felder. Sie haben sicherlich alle ihre Daseinsberechtigung, aber die breite Masse der SchülerInnen lässt sich für Physik eher begeistern, wenn man sich mit technischen Errungenschaften auseinandersetzt, die ihnen aus dem Alltag bereits vertraut sind. Physik verliert so für sie ihren elitären, unnahbaren Charakter. Und der Reiz einer Großforschungseinrichtung erschließt sich sowieso allenfalls einigen Physikfreaks unter den SchülerInnen, die man als Lehrer eh nicht mehr für die Physik motivieren muss. Kein Haushalt betreibt schließlich in seinem Garten einen Teilchenbeschleuniger. Quarzuhren oder Funkuhren hängen oder stehen dagegen heute fast in jedem Raum und die meisten Zeitgenossen tragen ständig eine an ihrem Arm mit sich herum. Technische Anwendungen sind schließlich das Salz in der Suppe der Physik. Welchen Eindruck müssen andererseits die SchülerInnen vom Fach Physik erhalten, wenn ihr junger Physiklehrer ihnen gegenüber den Ausschaltknopf als den besten Knopf am Computer bezeichnet oder ein anderer Physikkollege ihnen die Benutzung eines Taschenrechners untersagt mit der Begründung: „Das sei alles Teufelszeug und fördere nur die Denkfaulheit“. Dabei will auch die richtige Bedienung eines Taschenrechners oder Computers gelernt sein, wie ich immer wieder feststelle. Und in den Laboratorien der Hochschulen wird schon die nächste Computergeneration entwickelt, deren Fähigkeiten die heutigen Computer wie mittelalterliche Rechenschieber erscheinen lassen.Die Nanotechnologie macht’s möglich. Wundert es einen da noch, dass immer weniger Schüler, von Schülerinnen ganz zu schweigen, sich für Physikleistungskurse oder -grundkurse begeistern können. Solche Lehrer bieten ihnen doch nur Lösungen für Probleme, die sie ohne ihre Fragen gar nicht haben. Ich will hier nicht den Stab brechen über den ganzen Lehrapparat der Physik, denn ich weiß, dass es auch viele engagierte und innovative Kolleginnen und Kollegen gibt, nur erfahren sie von Seiten der Schulaufsicht in der Regel nur wenig Rückendeckung. Innovation wird vielmehr als Infragestellen des Althergebrachten und lieb gewordener Gewohnheiten empfunden, ist daher zumindest lästig und muss somit mit allen Mitteln bekämpft werden. Ich hoffe, einige Kolleginnen und Kollegen greifen dennoch meine Anregungen auf und versuchen, die in diesem Skript vorgestellten Schaltungen und Erklärungen in ihren Unterricht zu integrieren. Interessierte Schülerinnen und Schüler sind ihnen gewiss. Mein besonderer Dank gilt meiner Frau für das Korrekturlesen. Besonders danken möchte ich auch Herrn Dr. Piester von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt PTB für die zahlreichen, sehr wertvollen Hinweise zum Thema Funkuhr. Stolberg, im Februar 2007 2. Schwingquarze 2.1 Aufbau und Funktion Schwingquarze sind besonders geschliffene, kurze Kristallzylinder aus Siliziumdioxid SiO2. Sie werden mit zwei Kontaktelektroden versehen und zum Schutz gegen Umwelteinflüsse in einem Metallgehäuse untergebracht. Manche werden zusätzlich durch eine Plastikhülle geschützt. Abb. 1 zeigt einige typische Schwingquarze für die Anwendung in elektronischen Schaltungen. Ihre Resonanzfrequenzen betragen von links oben nach rechts unten: 4.0 MHz, 9,216 MHz, 4,194 MHz und 32,768 kHz. Die ersten beiden werden z.B. in kleinen Funksendern verwendet, der dritte in Präzisionsquarzuhren und der vierte in Quarztaschenuhren, Quarzwanduhren und den entsprechenden Funkuhren.
Schwingquarze verändern in einem elektrischen Feld ihre Form. Die positiven Siliziumionen werden in Richtung der Feldlinien gezogen, die negativen Sauerstoffionen entgegen der Feldrichtung (s. Abb.2). Ist das Feld von oben nach unten gerichtet, so drängt sich Ion 1 zwischen die Ionen 2 und 6 , Ion 4 zwischen 3 und 5 (rechte Zeichnung).
Der Kristall wird deformiert. Er wird niedriger und breiter. Bei umgekehrter Feldrichtung werden die Abstände zwischen den Ionen 6, 1 und 2 größer, ebenso die zwischen 3, 4 und 5. (linke Zeichnung). Der Kristall wird höher und schmaler im Vergleich zum nicht angeregten Zustand, der in der mittleren Zeichnung dargestellt ist. Dabei entspricht eine große, rote Kugel einem 4-fach positiven Siliziumion, eine kleine, blaue Kugel zwei 2-fach negativ geladenen Sauerstoffionen. Regt man einen Quarz mit einem elektrischen Wechselfeld in seiner Eigenfrequenz an, so schwingt er in Resonanz. Wird er umgekehrt durch mechanische Einwirkungen deformiert , so verschieben sich die Si4+-Ionen und O2--Ionen ein wenig, so dass die Schwerpunkte der positiven und negativen Ladungen nicht mehr zusammen fallen. An den Grenzflächen treten entgegen gesetzte Ladungen auf, die eine Spannung zwischen den Kontaktflächen verursachen. Regt man ihn mechanisch zum Schwingen an, so entsteht zwischen seinen Stirnflächen eine elektrische Wechselspannung, die elektronisch verstärkt werden kann. Sie ist besonders groß, wenn der Kristall in Resonanz schwingt. Die Eigenfrequenz des Quarzes ändert sich nur wenig mit der Temperatur. Er ist daher ein gutes Frequenznormal. Diese Eigenschaft wird in Quarzuhren ausgenutzt. Thermostate halten die Temperatur in Präzisionsuhren konstant. In Atomuhren wird die Frequenz des Piezo-Quarzes (piezein, griech. drücken), wie Schwingquarze auch heißen, ständig mit der Frequenz einer Cs-Spektrallinie verglichen und bei Abweichungen nachgeregelt. 2.2 Elektronische Eigenschaften Schwingt ein Quarz in Resonanz, so ist die Ladung auf seinen Stirnflächen besonders hoch oder besonders niedrig. Im Wechselfeld fließt dann in den Zuleitungen ein verhältnismäßig hoher bzw. niedriger Umladestrom. Die Impedanz des Quarzes ist gering bzw. hoch. Bei allen anderen Frequenzen liegt sie dazwischen. Außerdem ist die Resonanz sehr scharf ausgeprägt, bei Quarzen für elektronische Schaltungen bis auf 0,01% genau. Dieses Verhalten lässt sich mit der Schaltung nach Abb.1 zeigen.
Die Verschaltung auf einer Lochrasterplatine zeigt Abb.2.
Die fertige Platine baut man in ein kleines Gehäuse ein, etwa eine leere Mon-Cheri oder Ferrerro-Rocher-Dose, und verlötet die Zuleitungen an Telefonbuchsen, die man im Gehäusedeckel verschraubt. Man benötigt eine rote für den +Pol der Stromquelle, eine grüne für +Pol des Oszillographen, eine gelbe für den +Pol der NF und eine schwarze für den gemeinsamen –Pol der Stromquelle, der NF-Quelle und des Oszillographen. So kann die Schaltung jederzeit mit wenigen Handgriffen im Unterricht in Betrieb genommen werden. Als NF-Quelle dient ein Tonfrequenzgenerator mit einer Frequenz von 10-100 kHz, wenn man einen Schwingquarz mit f = 32,768 kHz (Armbanduhr) oder f = 77,5 kHz (Funkuhr) verwendet. Dabei zeigt sich, dass Quarze aus einer Armbanduhr häufig nicht auf ihrer Grundfrequenz in Resonanz schwingen, sondern auf der 1. Oberwelle, also mit f = 65,536 kHz. Fährt man das ganze Frequenzspektrum in aufsteigender Richtung ab, so beobachtet man in der Nähe der Resonanzfrequenz des Quarzes am Ausgang des OP den Spannungsverlauf in Ab.3.
Dabei sollte man auf Kanal 1 des Oszillographen darauf achten, dass der Tonfrequenzgenerator über den gesamten Frequenzbereich ein Signal gleicher Spannung liefert. Anderenfalls muss man sie für einzelne Frequenzen von Hand nachregeln. Die Frequenz misst man am einfachsten zusätzlich mit einem Digitalmultimeter, die häufig neben den üblichen elektrischen Größen auch die Frequenz einer Wechselspannung anzeigen können. Am Oszillographen lässt sie sich nur ungenau bestimmen. Aus dem Versuchsergebnis wird deutlich, dass ein Schwingquarz eigentlich zwei Resonanzfrequenzen besitzt, eine Serienresonanzfrequenz fs und eine Parallelresonanzfrequenz fp. Beide liegen sehr nahe beieinander. Aus Untersuchungen an vielen verschiedenen Quarzen findet man empirisch folgenden Zusammenhang zwischen beiden Frequenzen fp/fs = 1,0029. Aus der Kurve in Abb.3 erhält man: fp/fs = 77,6 kHz/(77,4 kHz) = 1,0026. Der Quarz verhält sich also zugleich wie eine Siebkette mit einem Impedanzminimum und ein Sperrkreis mit einem Impedanzmaximum. Das macht die Abbildung 4 deutlich.
Sie lässt sich aus der Kurve 3 mit dem Verstärkungsfaktor V des OP berechnen. Für ihn gilt: V = UA/UE = R1/Z. Darin bedeuten: UA : Ausgangsspannung am
OP Stellt man die Gleichung nach Z um, so ergibt sich: Z = R1*UE/UA. Da R1 und UE konstant sind, steigt mit sinkender Impedanz die Ausgangsspannung UA. Da ein Schwingquarz zwei Resonanzfrequenzen besitzt, findet man in vielen Elektronikbüchern als Ersatzschaltung für einen Quarz den Schaltplan in Abb.5.1),2)
Dass diese Deutung nicht ganz richtig ist, zeigen die folgenden Überlegungen. Für die Impedanz Z1 einer Siebkette, also einer Reihenschaltung aus Widerstand, Kondensator und Spule gilt: Z1 = sqr(R2 + (RL – RC0)2) = sqr(R2 + (ωL – 1/(ωC0))2). Unter Berücksichtigung des parallel geschalteten Kondensators C1 erhält man für die Impedanz Z2: Z2 = 1/sqr(1/Z12 + 1/RC12) Für einen Quarz mit f = 77,5 kHz gelten etwa folgende Werte:3) L = 3127,11 H Wertet man beide Funktionen für diese Angaben mit Excel aus, so ergeben sich Abb.6 und Abb. 7.
Aus den Abbildungen kann man erkennen, dass nur bei der gesamten Ersatzschaltung die Resonanz ähnlich scharf ausgeprägt ist wie bei einem wirklichen Quarz. Die Impedanz bei Frequenzen unterhalb und oberhalb der Resonanzfrequenz liegt jedoch wesentlich höher als beim realen Quarz (vgl. Abb.4). Vermutlich ist der in der Literatur angegebene Wert für die Kapazität C1 zu niedrig. Der Kondensator C1 bestimmt nämlich bei tiefen und hohen Frequenzen die Impedanz, da er in diesen Bereichen einen sehr viel kleineren Widerstand hat als die Siebkette, weil seine Kapazität sehr viel höher ist als die des Kondensators in der Siebkette. Nur in der Nähe der Resonanzfrequenz kehren sich die Verhältnisse um. Dort heben sich der induktive Widerstand der Spule und der kapazitative Widerstand des Kondensators in der Siebkette gegenseitig auf. Übrig bleibt nur der Ohmsche Widerstand. Und der ist viel kleiner als der kapazitative Widerstand von C1. Außerdem liegt er laut Literaturangabe mit 17 kΩ wesentlich tiefer als der gemessene Resonanzwiderstand von ca. 150 kΩ. Besonders auffällig ist jedoch, dass der parallel geschaltete Kondensator C1 keineswegs eine zweite Resonanzfrequenz verursacht, wie man sie bei allen Quarzen beobachtet. Die Ersatzschaltung beschreibt das Verhalten eines wirklichen Quarzes also nur unzureichend. Die Resonanzfrequenzen lassen sich bei realen Quarzen in geringen Grenzen verändern, in dem man einen Trimmer von 20-60 pF zum Quarz in Reihe oder parallel schaltet. Ein Kondensator mit C = 20 pF in Reihe erhöht z.B. die Serienresonanzfrequenz des oben untersuchten Quarzes um ca. 0,06%, schaltet man ihn parallel zum Quarz, so sinkt die Parallelresonanzfrequenz etwa um den gleichen Betrag. 2.3 Verwendung Piezo-Quarze findet man heute in vielen elektronischen Schaltungen. Einige Schaltbeispiele, die Sie selbst nachbauen können, lernen Sie in Kapitel 3 kennen. Da die Frequenz der Schwingquarze recht stabil ist, eignen sie sich gut für kleine Funksender, die auf einer möglichst konstanten Frequenz senden müssen. So gewährleisten sie einerseits einen gleich bleibenden Empfang und vermeiden andererseits Störungen benachbarter Sender ähnlicher Sendefrequenz. Die benötigte Bandbreite des Senders sinkt auf ein Minimum, so dass ein Frequenzband mehr Sender unterschiedlicher Frequenz aufnehmen kann. Mit LC-Schwingkreisen ist das ein Problem, da ihre Frequenz wegen der Toleranz und der Temperaturdrift der verwendeten Bauteile doch erheblich schwanken kann. Die gute Frequenzkonstanz der Piezoelemente macht auch die Genauigkeit moderner Quarzuhren erst möglich. Da die Resonanzfrequenzen der Quarze in Uhren im Ultraschallbereich liegen, müssen sie allerdings durch eine Frequenzteilerschaltung auf den Sekundentakt von 1 Hz herunter transformiert werden. Mit dem Ausgangssignal der Teilerschaltung kann man einen Schrittmotor oder einen Digitalzähler direkt ansteuern. Da der Piezokristall wie eine Siebkette wirkt, also wie eine elektronische Schaltung, die aus einem Frequenzspektrum nur eine geringe Bandbreite an Frequenzen durchlässt, eignen sie sich auch hervorragend als elektronische Frequenzfilter, vor allem wenn man sie mit einem Operationsverstärker kombiniert. Diese Fähigkeit wird in Funkuhren ausgenutzt, um aus dem von der Antenne empfangenen Spektrum an Langwellen die DCF77-Frequenz von 77,5 kHz optimal heraus zu filtern. Die mechanischen Eigenschaften der Schwingquarze erlauben eine Vielzahl weiterer Anwendungen. Es wurden piezoelektrische Stoffe entwickelt, bei denen man durch einen Druck von einigen MPa Spannungen von mehreren kV erzeugen kann. Sie werden in Feuerzeugen oder Gasanzündern verwendet, bei denen die durch einen kräftigen Schlag erzeugte Spannung ausreicht, einen elektrischen Funken zu erzeugen, der das Gas zündet. Mikrofone und Ultraschallempfänger sind weitere Beispiele. Die darin erzeugten kleinen Wechselspannungen werden verstärkt und z.B. über Lautsprecher hörbar gemacht, oder zur Messung der Geschwindigkeit nach dem Dopplerprinzip in Radaranlagen genutzt. Regt man einen Quarzkristall mit einem elektrischen Wechselfeld im Hörbereich an, so sendet er Schallwellen aus. Solche Piezolautsprecher sind heute vielseitig in Gebrauch, etwa in kleinen Signalgebern in Waschmaschinen, Wäschetrocknern, Rauchmeldern, Eierkochern oder kleinen Eieruhren. Vandalensichere Tastaturen erhält man, wenn die Tasten aus Piezokristallen bestehen, die durch den Druck des Fingers unmerklich verformt werden. Die entstehende kleine Spannung wird elektronisch verstärkt und als Tastendruck weiterverwertet. Sie unterliegen keinem mechanischen Verschleiß. Roboter fühlen mit solchen „Kraftsensoren“ aus Piezokristallen. Auch in Tintenstrahldrucker haben die Schwingquarze Einzug gehalten. So verengt ein elektrisch angesteuertes Piezoelement den Tintenkanal und drückt ein Tröpfchen Farbe aus der Düse. 3. Anwendungsbeispiele 3.1 Minisender Abb.1 zeugt den Schaltplan eines kleinen Minisenders, wie er in Minispionen oder kleinen Funkgeräten eingesetzt wird, allerdings mit einer anderen Sendefrequenz.
Abb.1: Schaltplan eines kleinen KW-Minisenders Das Herzstück der Schaltung ist ein Colpit-Oszillator mit der typischen Emitter/Basis-Rückkopplung. Der Schwingquarz an der Basis des Transistors sorgt dafür, dass sich von den vielen möglichen Schwingungsfrequenzen nur die zu besonders kräftigen Schwingungen aufschaukelt, die der Resonanzfrequenz des Quarzes entspricht. Als Antenne dient ein Kabel, dessen optimale Länge l sich wie folgt berechnen lässt: λ
c 3*108 m/s Die eingespeiste Niederfrequenz bewirkt eine Amplitudenmodulation der HF-Trägerfrequenz. Sie entnimmt man dem Ohrhörerausgang eines Radios oder Walkmans oder einem Tonfrequenzgenerator. Empfangen kann man den Minisender, der nur in geschlossenen Räumen und nur im Unterricht eingesetzt werden darf, mit einem handelsüblichen KW-Weltempfänger auf einer Frequenz von ca. 9,2 MHz. Schließt man den Antennenausgang an einen Oszillographen an, so kann man mit der Schaltung auch die Vorgänge bei Amplitudenmodulation demonstrieren (vgl. A. Reichert: Radiosender/Radioempfänger).
Die Verschaltung auf einer Lochrasterplatine finden Sie in Abb.2. Die fertige Platine setzt man am einfachsten in ein kleines Gehäuse ein, etwa eine leere Mon-Cheri oder Ferrerro-Rocher-Dose. Die Zuleitungen verlötet man an verschieden farbigen Telefonbuchsen, die man am Gehäuse verschraubt. Man benötigt eine rote für den +Pol der Stromquelle, eine grüne für die Antenne/ den Oszillographen, eine gelbe für den +Pol der NF und eine schwarze für den gemeinsamen –Pol der Stromquelle, der NF-Quelle und des Oszillographen. So kann der Sender jederzeit mit wenigen Handgriffen im Unterricht in Betrieb genommen werden. 3.2 Signalgeber Ist die Waschmaschine mit dem Waschvorgang fertig oder hat der Trockner die Wäsche trocken, so strahlen sie einen hohen Signalton ab, um die Hausfrau oder den Hausmann auf das Ende des Vorganges hinzuweisen. Abb.1 zeigt eine mögliche Schaltung für einen solchen Signalgeber.
Das Herzstück der Schaltung ist ein astabiler Multivibrator, aufgebaut mit einem komplementären Transistorpaar BC 547 und BC 557. Die Frequenz des Multivibrators wird einerseits durch den Kondensator C = 47 nF zwischen den beiden Transistoren und andererseits durch den Messwiderstand zwischen den Elektroden bestimmt. Ist er groß, so gibt der Signalgeber einen tiefen Ton ab.
Die Verschaltung auf einer Lochrasterplatine zeigt Abb.2. Die fertige Platine baut in ein kleines Gehäuse ein, das ein Batteriefach für eine 9 V-Blockbatterie enthält. Diese kleine Schaltung lässt sich im Unterricht vielseitig verwenden. Mit ihr kann man auch bei schlechten Leitern wie nassem Papier, menschlichem Körper usw. die Leitfähigkeit durch eine optische und akustische Anzeige demonstrieren. Die Schüler der unteren Klassen, die noch kein Strommessgerät kennen, sind davon immer wieder fasziniert. Wenn man mit den trockenen oder feuchten Fingern an den Elektroden, die nur aus einfachen Kabeln mit Buchsensteckern bestehen, etwas herumspielt, so kann man die Tonhöhe variieren und fast eine kleine Melodie spielen.
Aber auch in einem so genannten heißen Draht (s. Abb.3) leistet sie am Tag der offenen Tür an unserer Schule immer wieder wertvolle Dienste. Da die Stromaufnahme außerdem sehr gering ist, hält eine 9 V-Blockbatterie lange durch. Den starren, blanken Kupferdraht befestigt man mit zwei Lüsterklemmen auf einem Stück Dachlatte, die man mit Holzschrauben an der Latte verschraubt. Das eine Ende des Drahtes verbindet man mit dem einen Elektrodeneingang des Signalgebers. In den zweiten Eingang steckt man ein Kabel, an dem sich am anderen Ende eine Krokodilklemme befindet. An ihr ist eine Unterlegscheibe befestigt, die den Metalldraht umschließt. Die Aufgabe besteht nun darin, den Metallring in möglichst kurzer Zeit durch den Metalldraht von einer Seite der Dachlatte zur anderen Seite zu führen, ohne den Metalldraht zu berühren. Ansonsten schlägt der Signalgeber Alarm. Den Schwierigkeitsgrad des heißen Drahtes kann man beliebig steigern, in dem man den Kupferdraht in vielfältiger Weise in alle Richtungen verbiegt oder den inneren Durchmesser der Unterlegscheibe möglichst klein wählt. Für Anfänger sollte man an einigen Stellen des Drahtes Ruhepunkte einrichten, in dem man den Draht mit etwas Isolierband umwickelt. Ferner kann man mit der kleinen Schaltung auch Glühbirnen auf ihre Funktionstüchtigkeit prüfen. Bei kleinen Birnchen ist ein durchgebrannter Glühdraht mit bloßem Auge kaum zu erkennen. Wenn man den Aufbau eines Netzkabels bespricht, so kann man mit ihr außerdem herausfinden, welche Leitungen mit welchem Teil des Steckers verbunden sind. Die verschieden farbigen Drähte lassen sich so als Phase, Nullleiter oder Erdleiter identifizieren. Diesen Test darf man natürlich nur bei ausgeschaltetem Netzstrom durchführen. Der Nachbau lohnt sich also in jedem Falle. Die Schaltung ist auch für Schülerübungen geeignet, da sie mit einer 9 V-Blockbatterie betrieben wird. Piezo-Schallwandler lassen sich im Unterricht im Themenbereich Akustik auch an anderen Stellen vielseitig einsetzen. Ein paar kleine Versuche mögen das verdeutlichen. Versuch 1: Durchführung: Beobachtung: Erklärung: Versuch 2: Durchführung:
jeweils zwei Anschlusslitzen und verbindet sie nacheinander über zwei Bananenstecker mit einem Tonfrequenzgenerator. Man variiert die Frequenz am Tonfrequenzgenerator zwischen 1kHz und 10 kHz bei gleich bleibender Amplitude. Außerdem misst man den Durchmesser der Schallwandler. Um die Resonanzfrequenzen genauer bestimmen zu können, schließt man ein Mikrofon an einen Oszillographen an und hält das Mikrofon in die Nähe des Schallwandlers. Beobachtung:
Folgerung: Versuch 3: Durchführung: Beobachtung: Folgerung: Schwingquarze sind einer breiten Öffentlichkeit bekannt geworden durch die Quarzuhr. Abb.1a zeigt das Innenleben einer Quarzarmbanduhr, Abb.1b die Elektronik einer Quarzwanduhr. Deutlich erkennt man bei der Armbanduhr links oben den Quarz in Form eines silbriggrauen kleinen Zylinders, links unten das nur 4*5 mm große IC als schwarze Kreisfläche, in der Mitte oben die Knopfzelle als silbriggraue Kreisscheibe und rechts unten die Antriebsspule des Zeigerwerkes aus rotbraunem Kupferdraht. Bei der Wanduhr sieht man rechts außen den Abstimmkondensator für den Quarz, links daneben als grauen Quader den Schwingquarz, in der Mitte die Erregerspule und den Läufer des Motors, sowie im Vordergrund das IC. Der zweite Kondensator dient möglicherweise dazu, den Steuerimpuls für den Elektromagneten zu erzeugen (s. Versuch 1). Den möglichen Schaltplan einer Quarzuhr entnehmen Sie Abb.2.2) Der Schwingquarz der Armbanduhr hat eine Resonanzfrequenz f = 32,768 kHz, der der Wanduhr eine Frequenz f = 4,194304 MHz. Die für den Schwingkreis benötigte Elektronik ist zusammen mit der Frequenzteilerschaltung im IC untergebracht. Die Pinbelegung des IC’s variiert je nach Hersteller, stets sind aber jeweils 2 Anschlüsse für den Quarz, die Erregerspule und die Betriebsspannung vorhanden. In modernen Schaltungen fehlt häufig der Abstimmkondensator in Abb.1b bzw. Abb.2. Die Teilerschaltung regelt die Frequenz des Taktgebers auf f = 0,5 Hz herunter. Mit dieser Frequenz wird ein kleiner Elektromotor angesteuert, der sich bei jedem Ausgangsimpuls um einen Winkel von 180° weiterdreht und über eine Untersetzung den Sekundenzeiger der Uhr um 6° weiterstellt. Eine weitere Zahnraduntersetzung liefert die Minuten- und Stundenanzeige. Statt eines Zeigerwerkes kann das IC auch einen Digitalzähler takten, der die Sekunden, Minuten und Stunden zählt und mit 7-Segmentanzeigen, die Leuchtdioden enthalten, sichtbar macht.
3.3.2 Experimente Zunächst sollen ein paar Versuche beschrieben werden, die man mit einem Uhrwerk durchführen kann, das man aus einer Quarzwanduhr ausgebaut hat. Dazu lötet man an die Schaltung kurze Kabel an die Ausgänge des Schwingquarzes, der Ankerspule und den Plus- und Minuspol. Versuch 1: Durchführung: Beobachtung:
Erklärung: Versuch 2: Durchführung: Beobachtung: Folgerung: Versuch 3: Durchführung: Beobachtung:
Folgerung: Die in der Quarzuhr verwendeten elektronischen Schaltungen lassen sich mit preiswerten Bauteilen nachbauen. Dabei kann man Bausteine mit Dezimal- oder Duallogik verwenden. Für die folgenden Schaltungen habe ich mich aus drei Gründen für Bauteile mit Zehnerbasis entschieden.
Versuch 4: Aufbau: Durchführung: Beobachtung: Erklärung: Um größere Zeitintervalle zu messen, etwa Millisekunden oder Sekunden, muss man die Frequenz des Schwingkreises herunterteilen.
Versuch 5: Aufbau: Durchführung: Beobachtung: Erklärung: Funkuhren empfangen die von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) ausgesendete koordinierte Weltzeit UTC. Sie wird ermittelt aus der Internationalen Atomzeit TAI, erzeugt durch zahlreiche Atomuhren, und der dem Sonnenstand angepassten Weltzeit UT1. Beide driften wegen der durch die Gezeitenreibung verursachten langfristigen Abbremsung der Erdrotation immer weiter auseinander. Sie werden daher durch Schaltsekunden einander angepasst, so dass sie nie mehr als 0,9 s voneinander abweichen. So entsteht die koordinierte Weltzeit UTC. Sie wird in kodierter Form von einem Langwellensender mit dem Rufzeichen DCF 77 mit einer Leistung von 50 kW ausgestrahlt. D steht für Deutschland, C kennzeichnet allgemein Langwellensender, F ist die Abkürzung für Frankfurt. Der Zeitsender steht in Mainflingen bei Frankfurt. Da er mehrere Trägerfrequenzen abstrahlt, bezeichnet die Zahl 77 noch seine ungefähre Sendefrequenz. Sie beträgt 77,5 kHz. Der Zeitsender hat eine Reichweite von ca. 2000 km. Die Trägerfrequenz wird amplitudenmoduliert (s. Abb.1)
Die gesamte Zeitinformation wird
während einer Minute übertragen. Jeder Sekunde ist dabei ein Bit an Information
zugeordnet. Besitzt das Bit den Wert Null, so wird zu Beginn der betreffenden
Sekunde die Amplitude der Trägerfrequenz für 100 ms auf 25% ihres Maximalwertes
abgesenkt, bei einer 1 als Informationseinheit für 200 ms. Nach der Demodulation
im Empfänger und der Invertierung des Signals liegen die Informationen als eine
Folge von 60 kurzen bzw. langen Impulsen vor.
3.4.2 Zeitzeichensender In Abb.1 ist die Sendeeinrichtung des Zeitzeichensenders als Blockschaltbild dargestellt.
Sie befindet sich in Mainflingen bei Frankfurt und wird gemeinsam von der Physikalisch-Technischen-Bundesanstalt PTB und der Telekomtochter T-Systems betrieben. Die Steuereinrichtungen sind in einem gesonderten Raum der Sendeanlage untergebracht. Das Trägersignal von 77,5 kHz und die Sekundenmarken werden aus drei unabhängigen Caesium-Atomuhren gewonnen und je einem Steuerkanal zugeführt. Außerdem steht noch eine Rubidium-Atomuhr bereit. Jeder Kanal kann im Prinzip den Sender steuern. Um zu vermeiden, dass Fehlsignale ausgesendet werden, werden die Signale der drei Steuerkanäle zunächst in zwei elektronischen Umschaltern EUI und EUII verglichen. Steht dabei das Signal des den Sender steuernden Kanals im Widerspruch zu dem der beiden anderen Kanäle, so wird automatisch auf einen der beiden Reservekanäle umgeschaltet. Fällt ein Kanal wegen einer Störung aus, so liefert jeder der beiden Umschalter nur so lange ein Ausgangssignal, wie die Signale der beiden anderen Kanäle übereinstimmen. Widersprechen sich die Signale aller drei Kanäle, schalten sich die beiden Umschalter gegenseitig ab. Ist alles in Ordnung, so wird das DCF-Steuersignal an die von T-Systems betriebenen Sendeanlagen übergeben. Seit Januar 1998 steht als Betriebssender ein luftgekühlter 50 kW-Halbleitersender zur Verfügung. Sein Endverstärker besteht aus 48 Einzelmodulen mit je etwas mehr als 1 kW Ausgangsleistung. Ihre Ausgangsspannungen werden addiert. Der bis dahin verwendete Röhrensender dient als Ersatzsender, auf den bei Störfällen oder Wartungsarbeiten am Hauptsender umgeschaltet wird. So ist gewährleistet, dass die Zeitzeichen der PTB rund um die Uhr verfügbar sind. Beide Sendeantennen sind vertikale Rundstrahlantennen. Die Ersatzantenne ist 200 m hoch. Die normale Betriebsantenne besitzt nur eine Höhe von 150 m. Weitere Informationen finden Sie im Internet unter www.ptb.de. 5) 3.4.3 Empfangsschaltungen Abb.1 zeigt das Innenleben und Abb.2 den grundsätzlichen Aufbau einer modernen Funkuhr.
In Abb.1 erkennt man deutlich die Ferritantenne und die beiden Schwingquarze am rechten bzw. linken Rand. Einer dient im Empfänger als Filter, der andere steuert den Mikroprozessor. Eine vollständige Anleitung zum Nachbau einer Funkuhr wurde in der Elektronikzeitschrift ELV-Journal, Ausgabe 2/99und 3/996)6) (s. Abb.3) veröffentlicht. Allerdings ist der Bastelaufwand schon recht groß und nur für erfahrene Bastler zu empfehlen, zumal einige Bausteine in SMD-Technik ausgeführt sind und demgemäß nicht ganz einfach zu verlöten sind.
Aus Abb.2 und Abb.3 wird deutlich, dass eine Funkuhr aus drei Modulen
zusammengesetzt ist, dem Empfangsmodul, dem Auswert- und Steuermodul und dem
Anzeigemodul. f1 = 77,5 kHz + 2,5 kHz = 80 kHz oder f2 = 77,5 kHz – 2,5 kHz = 75 kHz. Die möglichen Spiegelfrequenzen von 82,5 kHz bzw. 72,5 kHz liegen jedoch sehr nahe bei der Empfangsfrequenz von 77,5 kHz. Sie ließen sich somit im Empfangskreis nicht sauber vom Zeitzeichensignal trennen. Der Empfang wäre gestört. Lösen lässt sich das Problem mit einem Doppelsuperhetempfänger (s. Abb.4).
In ihm verwendet man zwei Zwischenfrequenzen. Die erste ist relativ hoch und beträgt z.B. 27,5 kHz, erzeugt durch eine erste Oszillatorfrequenz von 50 kHz. Die Spiegelfrequenz liegt dann bei 22,5 kHz. Als zweite Zwischenfrequenz verwendet man 2,5 kHz. Man benötigt dafür eine zweite Oszillatorfrequenz von 25 kHz. Ihre Spiegelfrequenz beläuft sich ebenfalls auf 22,5 kHz. Beide Spiegelfrequenzen haben einen genügend großen Abstand zur DCF-Frequenz von 77,5 kHz. Sie können daher im Empfangskreis sauber vom Zeitzeichensignal getrennt werden. Die zweite Mischstufe kann auch durch einen Frequenzdiskriminator ersetzt werden. Mit seinem Ausgangssignal regelt man über eine Kapazitätsdiode die Frequenz des ersten Oszillators nach. Die benötigten Mischungsfrequenzen können durch Frequenzteiler aus der Taktfrequenz des Mikroprozessors gewonnen werden. Dann benötigt man keine eigenen Oszillatoren. Der HF-Filter kann als einfacher RC-Hochpass mit einer Grenzfrequenz von 50 kHz oder als Quarzfilter mit 77,5 kHz ausgelegt sein. Als ZF-Filter werden aktive RC-Filterschaltungen verwendet. Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers kann über Spannungsimpulse, die vom Mikroprozessor erzeugt werden, eingestellt werden.
Bei der Audionschaltung erhöht man die Selektivität durch eine ständige Kontrolle der Empfangsfrequenz mit Hilfe des Mikrochips. Nach dem Einschalten der Funkuhr wird dazu zunächst die Entdämpfung des Colpit-Oszillators in kleinen Schritten über den D/A-Wandler erhöht. Setzt Resonanz ein, wird die Resonanzfrequenz am Ausgang des Verstärkers über den Komparator mit der gewünschten Frequenz f = 77,5 kHz verglichen und über die beiden Kapazitätsdioden gegebenenfalls nach geregelt (s. Abb.5). Außerdem neigen Audionempfänger durch Rückkopplung des Oszillators auf die Antenne zum Aufschaukeln unkontrollierbarer Eigenschwingungen, wenn die Antenne sich in der Nähe des Oszillators befindet. Zunächst mussten daher bei Funkuhren mit Audion externe Antennen benutzt werden. Heute wird die Amplitude der Schwingungen vom Mikrochip nachgeregelt. Der Istwert der Amplitude wird dazu über den zweiten Demodulator erfasst. Seine Zeitkonstante ist mit 1 s so groß, dass er das modulierte Signal glättet. Der so gewonnene Mittelwert der Amplitude wird über einen A/D-Wandler dem Mikrocomputer zugeführt. Dieser reguliert über den D/A-Wandler die Verstärkung des Verstärkerbausteins und die Entdämpfung des Oszillators, bis die Spannung am Verstärkerausgang einen festen, vorgegebenen Sollwert erreicht hat. So wird wildes Schwingen selbst bei räumlicher Nähe von Ferritantenne und Oszillator unterdrückt. Außerdem wird erreicht, dass unabhängig von der Entfernung Empfänger-Sender immer ein gleich großes Ausgangssignal vorliegt. Der erste Demodulator hat eine Zeitkonstante von 20 ms und dient der Signalerkennung. Die genaue technische Umsetzung dieses Regelkreises finden Sie in "Funkuhren" von W. Hilberg 4). Der Mikroprozessor muss je nach Empfangs- und Anzeigemodul verschiedene Aufgaben erfüllen. Wird ein Audionempfänger verwendet, so sorgt er
Bei einem Doppelsuperhetempfänger stellt er gegebenenfalls die benötigten
Mischfrequenzen zur Verfügung und regelt die Verstärkung des Verstärkers. In
jedem Fall muss er eine Quarzuhr enthalten, damit beim Ausbleiben des
DCF-Signals die Funkuhr eine korrekte Zeit anzeigt. Ferner muss er die
Zeitzeichensignale auswerten und in passende Signale zur Steuerung des
Anzeigemoduls umsetzen. In manchen Funkuhren werden dazu nur die Sekunden- und
Minutenmarken der internen Quarzuhr mit den empfangenen Marken des
Zeitzeichensenders synchronisiert. Das geschieht durch Auslassen einzelner
Teilerimpulse in der Frequenzteilerschaltung der integrierten Quarzuhr. Man
spricht von synchronen Funkuhren. Sie haben allerdings den Nachteil, dass sie
nach einem Stromausfall komplett neu justiert werden müssen, da in ihnen die
kodierten Zeitinformationen nicht dekodiert werden und sie sich daher nicht
automatisch einstellen. In der Regel wertet der Mikrochip jedoch die kodierten
Informationen aus und nutzt sie zur Steuerung der Anzeige. Bei der Funkuhr des
ELV-Journals (s. Abb.2) stellt der Mikrochip die Daten zum Betrieb der
7-Segmentanzeigen an seinem Ausgang bereit. Er enthält also einen
BCD-zu-7-Segment-Decoder. Die Segmenteinheit, die gerade angesteuert werden soll,
wird über den BCD-zu-Dezimal-Decoder CD4028 ausgewählt. Die Daten werden dabei
in einem Zwischenspeicher, bestehend aus 4 TTL-Bausteinen 74LS573, abgelegt und
von dort an die vier 7-Segment-Anzeigen SA 40 über einen Freigabe-Eingang
weitergeleitet. Man erhält so statische Signale, die den DCF-Empfang nicht
beeinträchtigen. Außerdem kann wahlweise das Datum oder die Uhrzeit angezeigt
werden. Die Punkte zwischen der Stunden- und Minutenanzeige werden über zwei
LED’s realisiert. Ferner wird über eine Fotodiode die Umgebungshelligkeit
erfasst und zur Steuerung der Helligkeit des Displays genutzt. 3.4.4 Experimente Die im Folgenden beschriebenen Versuche können mit dem DCF-77-Empfangsmodul (s. Abb.1) der Firma Reichelt (www.reichelt.de) durchgeführt werden. Es kostet ca. 15,- €.
Um die Signale besser auswerten zu können, empfiehlt es sich, das Modul um eine akustische oder optische Anzeige des DCF-77-Signals zu erweitern. Sie lassen sich ohne großen Aufwand selbst zusammenlöten. Die Abb. 2 und 3 zeigen die benötigten Schaltungen. Die Verdrahtungen auf einer Lochrasterplatine entnehmen sie den Abb. 4 und 5.
Sollte der Physikraum in einem modernen Stahlbetonschulgebäude untergebracht sein, so kann der Empfang relativ schwach sein. Sie sollten dann das Modul möglichst in der Nähe eines Fensters aufstellen. Notfalls müssen sie auf die serielle DCF77-Funkuhr der gleichen Firma ausweichen, die wesentlich empfangsstärker ist. Sie ist mit ca. 52,- € jedoch sehr teuer. Ursprünglich ist sie als DCF-Empfänger für die serielle Schnittstelle von Computern konzipiert. Die mitgelieferte Software ließ sich jedoch weder unter Windows 98 noch XP vollständig installieren. Aber für die folgenden Versuche ist sie bestens geeignet, zumal sie schon über eine optische Anzeige per LED verfügt. Den seriellen Anschlussstecker ersetzen sie durch drei verschieden farbige Bananenstecker. Das grüne Kabel ist der –Pol der Schaltung, das blaue und weiße Kabel können sie zusammenfassen. Sie bilden den +Pol für den Empfänger und die Leuchtdiode. Die benötigte Betriebsspannung beträgt 5 V. Am orangefarbenen Kabel steht das invertierte DCF-Signal als eine Folge von kurzen und langen Impulsen zur Verfügung. Sie können direkt mit einem Messwerterfassungssystem aufgezeichnet werden. Versuch 1: Aufbau: Durchführung: Beobachtung: Auswertung: Versuch 2: Aufbau: Durchführung: Beobachtung:
Auswertung: 1000100101001000101000110100101110. Dabei entspricht das 1. Bit der Kurve (blauer Punkt) dem 20. Bit der Codierung. Daher muss man die Bitreihe wie folgt unterteilen: 1/0001/001/0/1001/00/0/1010/00/110/1001/0/1110 Unter den Binärzahlen stehen die dazugehörigen Dezimalwerte. Die nächsten vier Bits der Zehnerstelle des Jahres fehlen in der Graphik. Sie waren alle 0. Daraus ergibt sich folgendes Datum: Mi, 05.09.2007; 09.48 Uhr 4. Literatur 1) Dieter Nührmann, Das große Werkbuch der Elektronik Band 4, Poing 1998 |
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