Quartz

[invite62484a4b]

Bonjour

Je prépare mon tipe sur les oscillateurs électroniques et j'ai rencontré assez de problèmes en ce qui concerne la compréhension du sujet :

1-Le quartz relié à deux électrodes de connexion est modélisé électriquement par un circuit RLC en parallèle avec une capacité C0 dite capacité de connexion,cette capacité est due aux électrodes de connexion (ce que je n'ai pas compris),et puisque la fréquence de résonance dépend de C0 alors on peut régler cette fréquence lors de la découpe du quartz(ce que je n'ai pas compris aussi).

2-J'ai trouvé que le quartz a deux fréquences de résonance la première lorsque l'impédance(Z) est maximale ,la deuxième lorsque Z est minimale,mais je n'ai pas compris la signification physique de ces deux fréquences de résonance.

3-Le quartz est un oscillateur mécanique (élastique) je veux savoir si c'est sa piézoélectricité qui est résponsable de la transformation des oscillations mécaniques à des oscillations électriques.

Et merci d'avance
-----

[f6bes]

Bjr à toi,
Un détour par là:
http://pagesperso-orange.fr/f5zv/RAD...B/RM23B21.html

1/Capacité de connexion: La définition d'un condensateur, c'est 2 conducteurs séparés (peu importe la DISTANCE) par un isolant.
Donc 2 électrodes de connexion forme un condensateur.
Deux conducteurs de 1mm de long SEPARES d'un kilometre forme AUSSI un condensateur, mais de valeur EXTREMEMENT ..............infime, mais c'est un condensateur !!.
On peut effectivement faire varie rla fréquence d'un quartz avec un condo (VXO).
Mais si on dépasse certaine valeur (trop) l'oscillation ne démarre meme pas !!

POur le retse voir le lien.

3: Oui (et l'inverse)
Cordialement

[invite62484a4b]

Merci d'abord f6bes pour ces informations

J'ai consacré un partie dans mon sujet de tipe pour l'étude (théorique)de la stabilité d'un oscillateur à quartz ,mais j'ai trouvé beaucoup de difficultés :

-J'ai lu dans un livre que la fréquence d'oscillation d'un oscillateur à quartz est comprise entre les deux fréquences de résonances (série et parallèle) de cet oscillateur ,or ces deux fréquences sont très voisines donc la fréquence d'oscillation sera stable d'ou la bonne stabilité d'un oscillateur à quartz.

Par contre J'ai trouvé dans un autre livre que plus la variation de la phase d'un oscillateur autour de la fréquence d'oscillation est grande plus la fréquence d'oscillation est stable ,et pour un oscillateur à quartz la courbe de phase est presque verticale autour des deux fréquences d'oscillation ce qui donne la très bonne stabilité d'un oscillateur à quartz,donc la stabilité n'est pas donné par le fait que les deux fréquences sont voisinescar je ne vois aucune relation entre les deux explications.

Finallement je demande si quelqu'un peut me donner des eclairecissement en ce qui concerne ce sujet car je me trouve à presque une semaine pour passer le tipe et je n'arrive pas encore à bien cerner cette partie de mon sujet.

Et merci d'avance.

[louloute/Qc]

Un morceau d'un cours que je donne si ça peut t'aider:

Oscillateurs à Quartz

Le Quartz est un cristal naturel d’oxyde de silicium (SiO2). Excité électriquement, il entre dans une oscillation mécanique. On peut le ‘tailler’ pour choisir sa fréquence de résonance. Le quartz est depuis longtemps une référence stable d’oscillateurs électroniques.

Électriquement, le quartz a deux connexions. Son circuit équivalent comprend deux condensateurs, une bobine et une résistance.


Il apparaît donc deux modes d’oscillation: le mode série et le mode parallèle. Le mode série présente une impédance minimale à la résonance Fs alors qu’en mode parallèle on obtient une impédance maximale à Fp.

Valeurs typiques de ces composants équivalents pour un quartz de 1Mhz :
L = 4H
C = 6aF (6 10E-15)F
R = 240Ω
C0 = 8pF

D’où Fs = 1.02734MHz et Fp = 1.02773MHz.

[A voir en vidéo sur Futura]

[louloute/Qc]

Je ne sais trop l’explication sur les valeurs des capas série avec le L et parallèle avec le premier RLC qui fait que ces deux fréquences sont si proches.

Électriquement, on peur le faire osciller soit en régime série, soit en régime parallèle, cela dépend simplement du type d’oscillateur.

À ce que je comprends du Quartz, c’est cette proximité de ces deux régimes et la proximité des ces deux fréquences qui fait que le quartz est si intéressant : la quasi-verticalité de sa variation d’impédance donne une stabilité remarquable.

[Tropique]

Merci d'abord f6bes pour ces informations

J'ai consacré un partie dans mon sujet de tipe pour l'étude (théorique)de la stabilité d'un oscillateur à quartz ,mais j'ai trouvé beaucoup de difficultés :

-J'ai lu dans un livre que la fréquence d'oscillation d'un oscillateur à quartz est comprise entre les deux fréquences de résonances (série et parallèle) de cet oscillateur ,or ces deux fréquences sont très voisines donc la fréquence d'oscillation sera stable d'ou la bonne stabilité d'un oscillateur à quartz.

Quelques détails à propos de ces fréquences, et des capacités qui les gouvernent:
La capa parallèle est évidente et simple à comprendre: cf. explications de f6bes.
La capa série est d'une autre nature: elle n'a pas d'existence physique, c'est l'image électrique des paramètres mécaniques du quartz, transformés par l'effet piézoélectrique qui fait la transduction entre les deux domaines. On l'appelle également "capacité motionnelle", ce qui montre bien sa nature. D'ailleurs, les valeurs typiques, exprimées en femtofarads ou attofarads montrent bien que ce n'est pas un condensateur "ordinaire".
La fréquence naturelle du quartz est imposée par la capa motionnelle, et l'inductance motionnelle: c'est la fréquence de résonance série. Cette fréquence est indépendante de Co, et celle-ci n'aurait qu'une influence négligeable sur un oscillateur véritablement série. C'est d'ailleurs la raison pour laquelle les applications de précision font toujours appel à ce mode de résonance.
Cependant, dans le monde réel, on est rarement tout à fait dans ce cas, essentiellement pour deux raisons: il n'est pas évident de faire un oscillateur série "parfait", pour des raisons d'impédances et de déphasage parasite, et d'autre part, un vrai oscillateur série est impossible à ajuster (électriquement). Comme les quartz courants ne sont pas construits avec une précision infinie, cela pose des problèmes.
On va donc s'éloigner quelque peu du mode série pur, et travailler un peu au-dessus de Fs. Dans ces conditions, l'ensemble motionnel apparait comme inductif: c'est le comportement classique d'un circuit résonant, mais poussé à l'extrême: la variation de phase est très rapide, à cause du Q élevé.
Cette inductance apparente va pouvoir résonner avec Co, plus éventuellement toute capacité de charge externe additionnelle. Le rapport entre Fp et Fs va dépendre de la racine carrée du rapport entre Cs et Cs en série avec Co. Comme Cs est très petit, le rapport est très proche de 1, et l'écart entre les deux fréquences est minime.

Par contre J'ai trouvé dans un autre livre que plus la variation de la phase d'un oscillateur autour de la fréquence d'oscillation est grande plus la fréquence d'oscillation est stable ,et pour un oscillateur à quartz la courbe de phase est presque verticale autour des deux fréquences d'oscillation ce qui donne la très bonne stabilité d'un oscillateur à quartz,donc la stabilité n'est pas donné par le fait que les deux fréquences sont voisinescar je ne vois aucune relation entre les deux explications.

Quand le Q du quartz est très élevé, cela signifie que pour une fréquence donnée, l'inductance motionnelle sera très forte, et la capacité motionnelle très petite. Cela a deux conséquences: la variation de phase autour de Fs, de -90° à +90° est très rapide, et la faible valeur de Cs par rapport aux capas externes, parasites ou non implique des fréquences très proches, voir plus haut.
La stabilité découle du fait que la fréquence d'oscillation effective doit nécéssairement se trouver dans la fourchette Fs-Fp. Si celle-ci est étroite, les variations seront faibles.

Finallement je demande si quelqu'un peut me donner des eclairecissement en ce qui concerne ce sujet car je me trouve à presque une semaine pour passer le tipe et je n'arrive pas encore à bien cerner cette partie de mon sujet.

Et merci d'avance.

Pour plus de détails, voir les sources habituelles:
http://en.wikipedia.org/wiki/Crystal_oscillator

[curieuxdenature]

Bonjour

on peut ajouter que la fréquence série se calcule par le formule classique de Thomson
Fs = 1 / (2* Pi* Racine (Ls*Cs))
et la Fp en remplaçant Cs par la mise en série de Cs et Cp
l'ensemble est plus petit que Cs donc la Fp est > à Fs.

L'exemple donné par Louloutte/Qc est C = Cs (petite valeur) et C0 = Cp(grande valeur)

D'autre part, la difference de fréquence entre ces 2 modes correspond à
dF = Fs * Cs / (2 * Cp)

et le coefficient de surtension se calcule comme un circuit RLC :
Q ~ Ls * 2 * Pi * Fs / R en prenant Ls comme réference et
Q ~ 1 / (Cs * 2 * Pi * Fs * R) en prenant Cs comme référence.

on arrive à des Q de 20 000 à 100 000, chose impossible avec des circuits RLC ordinaires.

[invite62484a4b]

Merci Tropique et louloute/Qc pour ces bonnes eclairecissement

J'ai encore des problèmes pour comprendre ta réponse (Tropique):

1-Tu as dit que la fréquence d'oscillation doit rester nécessairement entre les deux fréquences de résonance ,mais normalement lorsque un oscillateur oscille à une fréquence de résonance cette fréquence peut avoir des dérives dans les deux sens (augmenter ou diminuer),donc si le quartz oscille par exemple à fp la fréquence peut dériver et etre supérieure à fp.

2-Je n'ai pas compris aussi pourquoi le quartz doit avoir un comportement inductif pour qu'il commence à osciller.

Et merci d'avance.

[invite62484a4b]

Merci aussi à curieuxdenature,je viens de lire ton message.

[Tropique]

Merci Tropique et louloute/Qc pour ces bonnes eclairecissement

J'ai encore des problèmes pour comprendre ta réponse (Tropique):

1-Tu as dit que la fréquence d'oscillation doit rester nécessairement entre les deux fréquences de résonance ,mais normalement lorsque un oscillateur oscille à une fréquence de résonance cette fréquence peut avoir des dérives dans les deux sens (augmenter ou diminuer),donc si le quartz oscille par exemple à fp la fréquence peut dériver et etre supérieure à fp.

2-Je n'ai pas compris aussi pourquoi le quartz doit avoir un comportement inductif pour qu'il commence à osciller.

Et merci d'avance.

La fréquence Fs est une borne absolue, qu'il est impossible de dépasser; la fréquence Fp va dépendre du circuit effectif extérieur, capacité de charge + Co, mais on ne pourra pas aller en dessous de Co: c'est le quartz "tout nu" (si, on pourrait, avec des convertisseurs d'impédance qui génèrent une capacité négative, mais là on sort de l'étude du simple quartz).
Donc, forcément, la fréquence effective d'oscillation devra se trouver entre ces deux limites, et c'est valable aussi en cas de dérive.

Pour fonctionner dans un oscillateur //, le quartz doit être inductif, puisqu'il fait partie d'un circuit résonant //, dont on fixe la fréquence par un condensateur extérieur.
Dans le cas d'un oscillateur série "vrai" (à couplage d'émetteurs p.ex.), le comportement est résistif.

[LPFR]

Bonjour.
Comme cela n' pas été mentionné, je voudrais ajouter que un quartz, comme beaucoup d'oscillateurs mécaniques, a plusieurs modes d'oscillation. Les quarts basse fréquence, jusqu'à une dizaine de MHz, oscillent à la fréquence fondamentale (la plus basse mécaniquement possible). À haute fréquence on utilise des quartzs "overtone" qui oscillent avec des modes plus élevés. Si on n'est pas assez "sélectif" avec le circuit de l'oscillateur, on peu avoir des surprisses et trouver que le quartz oscille a une fréquence environ trois fois supérieure ou inférieure à la fréquence nominale. J'ai eut le cas avec des quartzs CB qui insistaient pour osciller autour de 9 MHz.
Au revoir.

[louloute/Qc]

Question à Tropique qui semble en connaître long sur le sujet : Comment taille-t-on un quartz à une fréquence donnée?

J’ai même entendu dire que des radio amateurs ouvraient leur quartz et le limaient au besoin. Je sais bien que cette engeance est à croire autant que les pêchers, mais des fois…

[Tropique]

Question à Tropique qui semble en connaître long sur le sujet : Comment taille-t-on un quartz à une fréquence donnée?

J’ai même entendu dire que des radio amateurs ouvraient leur quartz et le limaient au besoin. Je sais bien que cette engeance est à croire autant que les pêchers, mais des fois…

Je ne suis pas un spécialiste du domaine, mais je vais essayer de répondre dans les grandes lignes.
Le mode d'oscillation des quartz courants est le cisaillement d'épaisseur, ce qui signifie qu'il y a une relation directe entre la fréquence nominale et l'épaisseur du cristal. On va donc découper des lames un peu plus épaisses que théoriquement nécéssaire dans la "mère" du cristal (avec une orientation cristallographique soigneusement contrôlée). Ensuite on va roder mécaniquement cette lame jusqu'à arriver très près de la valeur nominale. La lame est alors découpée en plaquettes individuelles, et celles-ci subissent une abrasion chimique, qui permet d'arriver très légèrement en dessous de l'épaisseur nominale. L'importance de l'attaque peut éventuellement être prédéterminée en mesurant la fréquence réelle d'une des plaquettes brutes.
L'étape suivante est le dépôt de la métallisation des électrodes; on peut alors mettre le cristal dans un circuit oscillateur de test, et la valeur finale est ajustée en déposant par vaporisation sous vide un supplément de métallisation, or ou argent. Il y a des variantes, où c'est de la silice qui est ajoutée, en contrôlant la fréquence sur une seule plaquette témoin.
Il y a d'ailleurs certainement pas mal d'autres variantes et secrets de fabrication propres à chaque fabricant, mais le principe général reste le même.

Des amateurs faisaient ou ajustaient leur quartz eux-mêmes; c'est faisable, mais très laborieux, et les résultats ne sont pas tellement à la hauteur: avec juste un rodage mécanique sans attaque chimique, les caractéristiques de vieillissement sont médiocres. En plus, des électrodes simplement pressées plutôt que déposées ne sont pas fameuses non plus.
Il est possible de baisser la fréquence d'un quartz en le "lestant" en surface. En principe n'importe quoi est utilisable, mais il vaut mieux se rapprocher des caractéristiques acoustiques du quartz. Pour cette raison, le mercurochrome était souvent utilisé: on rajoutait des couches jusqu'à arriver à la bonne fréquence.
Inutile de dire qu'un quartz traité de cette manière sera sérieusement dégradé, spécialement pour le long terme: difficile de prévoir l'évolution de la "correction" au cours du temps, et si on a ouvert le boitier, on perd le vide ou le gaz inerte, d'où oxydation, absorption d'eau, etc. Bref, du folklore amusant, mais pas tellement pratique.
A+

[Tropique]

Merci Tropique et louloute/Qc pour ces bonnes eclairecissement

J'ai encore des problèmes pour comprendre ta réponse (Tropique):

1-Tu as dit que la fréquence d'oscillation doit rester nécessairement entre les deux fréquences de résonance ,mais normalement lorsque un oscillateur oscille à une fréquence de résonance cette fréquence peut avoir des dérives dans les deux sens (augmenter ou diminuer),donc si le quartz oscille par exemple à fp la fréquence peut dériver et etre supérieure à fp.

2-Je n'ai pas compris aussi pourquoi le quartz doit avoir un comportement inductif pour qu'il commence à osciller.

Et merci d'avance.

Voici un document de référence qui devrait répondre à la plupart de tes problèmes:

[f6bes]

J’ai même entendu dire que des radio amateurs ouvraient leur quartz et le limaient au besoin. Je sais bien que cette engeance est à croire autant que les pêchers, mais des fois…

Bjr louloute/Qc,
Ben non, c'est véridique,mais faut savoir le faire.
Tu rates facilement un quartz et faut pas y aller comme malade !!
Ca se fait avec du doigté !!
Seul les quartzs DEMONTABLES permettent cela.
Mais cette pratique a disparu de nos jours !
Voir là :http://pagesperso-orange.fr/f5zv/RAD...T/RM24T03.html
A+

[LPFR]

Ben non, c'est véridique,mais faut savoir le faire.

Bonjour.
Je suis d'accord avec F6bes. Il y a très longtemps un radioamateur me l'avait dit. Il trouvait ça très facile et disait que pour polir le quartz il suffisait de la pâte dentifrice. Il est possible qu'à l'époque (et même, peut-être, actuellement), l'abrasif des pâtes dentifrices fut de l'alumine qui est plus dure que le quartz.
Au revoir.

[f6bes]

Bonjour LFPR,
Facile oui et non, car fallait pas aller trop loin, sinon le cailloux refuser d'osciller.
De toute façon on ne pouvait le faire glisser que de qq kilocycles.
Donc fallait choisir un quartz prés de la fréquence finale désirée.
En général cette méthode servait à réaliser des filtres à quartzs et il valait mieux prendre
des quartzs d'un meme constructeur et d'un meme type.
Biens sur il en fallait toujours plus que nécessaire !
A+