photo d' un quartz naturel . |
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Le quartz est composé de silice Si O2, qui est une matière minérale , une fois taillé en fine lamelle le quartz présente la particularité d'être piézo-électrique. Généralement incolore on peut le trouver dans la nature mais on l'obtient maintenant surtout par synthèse dans l'industrie.
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photo de divers quartz . |
QUARTZ HORLOGE
Voici quelques boîtiers :
Pour les Quartz horloge à résonance
parallèle. Fonctionnement en mode fondamental ou harmonique (3, 5 ou 7). Tolérance:
±30 à ±50 ppm. Capacité de charge: 30 pF (12.5 pF pour 32.768 kHz)
Types de boîtiers
:
| MINI pour la fréquence de 32.768 kHz. | Boîtier TC38 |  |
| HC33/U avec sorties à fils pour 1 MHz | Boîtier | |
| HC49/U ou HC18/U pour les autre fréquences jusqu' a 48 MHz | Boîtier HC49/U |
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| Boîtier HC18/U | 
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| Boîtier bas profil | Boîtier |  |
Oscillateurs à quartz
compatibles TTL et CMOS, à boîtier compact
Boîtier hermétique. Tension d'alimentation: 5 Vcc. Précision:
0.01% à 25° C.
exemple d' un oscillateur à quartz : datasheet
Les résonateurs céramiques remplacent avantageusement les quartz dans les basses fréquences (<1 MHz). Précision ±2%. Bonne stabilité. Coefficient de température 10-5/°C.
Avec des portes inverseuses
Avec un CD4060
La lamelle de quartz se déforme sous une tension électrique à cause des charges électriques .Un quartz se connecte avec deux broches qui alimentent les électrodes de part et d' autre du cristal .Sur le support un isolant permet de maintenir les broches , le tout est en capsulé dans un boîtier métallique .Si un quartz est placé dans un circuit électronique résonant il va osciller à une fréquence dépendante de ses dimensions ( plus la fréquence croît, plus la lamelle est mince ) . Pour des fréquences allant jusqu'à 30 MHz, le quartz oscille sur sa fréquence fondamentale, au dessus il faudra utiliser un quartz taillé pour une fréquence plus basse et on le fera osciller sur un harmonique.
MODES OF OSCILLATION
A crystal is designed to operate on its fundamental or overtone mode. The
overtone modes are odd multiples of the fundamental frequency. For example, a 15
MHz fundamental mode crystal will also display overtone modes at approximately
45 MHz on its 3rd, 75 MHz on its 5th, 105 MHz on its 7th, 135 MHz on its 9th
overtone and 165 MHz on its 11th. This information is important when ordering a
crystal of 22-29 MHz because it could be either a fundamental or a 3rd overtone.
Although we offer fundamental mode crystals up to 29.0 MHz, generally 3rd's are
18-75 MHz, 5th's are 50-120 MHz and 7th's are 80-180 MHz.
2.2.2.Les éléments piézoélectriques utilisés en électronique.
Ces composants sont très utilisés en électronique, informatique, et en métrologie. Il s'agit
de cristaux dépourvus de symétrie car le phénomène n'existe pas dans les
corps isotropes.
Depuis plus de 30 ans, non seulement le quartz naturel mais aussi les quartz artificiels sont de plus en plus utilisés dans un florilège d'applications. Depuis une vingtaine d'années, les céramiques polycristalines polarisées ont obtenu un succès grandissant, elles complètent les applications déjà fort variées des Quartz traditionnels.
C'est en 1881 qu'un petit malin du nom de Pierre CURIE a décrit son effet DIRECT:
Toute application d'un choc mécanique sur un cristal piézoélectrique
produit en retour une tension électrique récupérable sur la surface du
cristal.
Un autre petit malin, un certain LIPPMAN mis en évidence l'inverse du phénomène, à savoir que toute tension appliquée sur les parois d'un cristal de quartz dont on aura métallisé les faces pour augmenter la conduction du courant électrique permettra de déformer celui-ci. Ceci dans les 3 dimensions .
Le principal matériau piézoélectrique est le quartz . Naturel ou artificiel, celui-ci permet des utilisations variées et particulièrement intéressantes. Le gemme de quartz artificiel (qui représente plus de 95% des pièces utilisées actuellement) est produit dans des étuves spéciales capables sous une énorme pression de plus de 30 bars et avec une très haute température de permettre la création des cristaux de Quartz purs à 99,9% ce qui, dans la nature est rarement le cas.( les conditions pression / chaleur étant plutôt aléatoires) Des petits morceaux de quartz sont suspendus en cercle autour d'un châssis mobile plongé ensuite dans l'étuve constitué d'un énorme cylindre enterré et coiffé d'une sorte de cloche boulonnée sérieusement avant la mise en pression.
Au fond de celle-ci, un mélange de silice et d'eau parfois oxygénée est déposé. L'étuve est ensuite fermée puis mise en pression / chaleur. Quelque mois après, la pression est supprimée ainsi que la température. A l'ouverture, l'on obtient des gemmes de quartz dont l'aspect est représenté plus bas .
Ces gammes quasi-parfait seront ensuite tranchés selon un angle TRÈS précis car c'est cet angle de taille qui déterminera la stabilité du résonateur en fonction de la température comme nous le verrons plus loin.
Depuis une une bonne vingtaine d'années des recherches sur les matériaux piezoélectrique de synthèse ont étés aussi effectuées à travers le monde, notamment aux USA avec Vernitron, et au JAPON avec NGK, Murata, et Kyocera. Ils utilisent des TITANATES et du ZIRCONIUM de Barium ou de Plomb dont les alliages sont jalousement gardés secret.
Ces sociétés ont permis aux électroniciens d'utiliser d'excellents filtres dont les plus usités sont utilisés pour réaliser des filtres 4,5 à 6.5MHz dans la télévision, 10,7 MHz et 455 KHz dans les récepteurs à changement de fréquence et depuis peu même, dans les filtres à onde de surface réservés traditionnellement aux quartz.
Avant d'entrer dans les détails des utilisations, il est bon de comprendre comment fonctionne une lamelle de quartz.
Si une lamelle de quartz reçoit un petit choc latéral, dès que le choc est terminé, le cristal en se détendant crée une charge électrique qui se propage sur la surface de la lamelle. Cette tension est proportionnelle au choc, ceci jusqu'a la rupture mécanique du cristal.
L'une des applications les plus courantes depuis une dizaine d'années est ...Le briquet dit "électronique" qui n'est en fait qu'un briquet électro-mécanique.
Il s'agit d'une pile d'environ10 lames de céramique métallisée qui en recevant un choc violent (détente d'un ressort) produit une tension de plus de 1000volts et permet une ionisation sous forme d'une étincelle de 5 mm servant à enflammer le gaz du briquet. La durée de vie de ces piles est bien supérieure à celle du système mécanique de frappe qui rend l'âme bien avant la fin de vie de la pile piézoélectrique (qui peut durer 10 ans)
Voici une application bien visible et très utile.
Nous avons vu qu'une déformation mécanique produisait une tension aux bornes du cristal et qu'une tension appliquée aux deux électrodes d'une lamelle de quartz produisait une déformation... produisant réciproquement le phénomène inverse. il suffit donc d'insérer un amplificateur entre la sortie et l'entrée pour obtenir... Une répétition à l'infini du phénomène!
D'autre part suivant l'épaisseur du quartz le
"TEMPS" de détente sera différent. C'est ce qui déterminera la FRÉQUENCE
de cette répétition.
Ainsi est né l'oscillateur piloté par quartz .
Sans lui votre portable ne pourrait fonctionne,r ni votre PC qui a besoin de process synchrones, ni votre Auto-Radio tout du moins dans la bande FM vu la précision demandée pour ces applications.
Le GPS lui aussi serait bien incapable de vous donner avec précision l'endroit où vous vous trouvez et bien sur votre montre qui possède un quartz qui "vibre" "32 000 fois par seconde alors que les montres mécanique à balancier ne "Vibraient" que 2 à 6 fois par seconde... Une erreur sur 32000 est moins grave qu'une erreur sur 4! D'où l'étonnante précision des montres à quartz (même celles à 10 Euros des marchés où aucun réglage interne n'est prévu dans un but d'économie).
Il en existe des dizaines de montages pour la plupart du nom de leur découvreur et avec l'avènement des transistors bien d'autres variantes ont vu le jour.
La suite plus tard.....
Dominique Maréchal
2.2.2.La piézo-électricité
Le quartz présente la particularité d'être piézo-électrique, en d'autres termes cela signifie que si nous lui appliquons une force de compression sur ses faces, nous constatons l'apparition de charges électriques.
Si maintenant nous inversons l'effort que nous appliquons sur la lamelle de quartz et qu'au lieu de compresser celui-ci nous exercions une traction, nous constatons que le signe des charges s'inverse. Plus l'effort mécanique est important, plus il y a de charges qui apparaissent.
Mais l'effet piézo-électrique ne
s'arrête pas là, il est réversible, si l' on applique une tension électrique
sur la lamelle de quartz, on observe une déformation mécanique. Le quartz est
un matériau élastique (dans de faibles proportions ) et il retrouve sa forme
originelle dès que cesse la tension.
Ceci est important puisque cela dicte la fréquence propre de résonance qui est
liée, entres autres, aux dimensions physiques de la lamelle de quartz.
QUARTZ CRYSTAL CUTS
By far the most common cut used is the AT since this cut delivers the best
temperature coefficient and provides the widest range of frequencies. The AT cut
is available from Cal Crystal for frequencies from approximately 1.0 MHz to as
high as 29 MHz in the fundamental mode and up to 180 MHz with overtone operation.
The other cuts (AC, CT, GT, ET, BT, DT, FT and BC) are for frequencies below 1.0
MHz, and are used rarely and usually in much smaller numbers.
Si on choisit de travailler avec du quartz naturel, il faut savoir qu'il existe sous deux formes symétriques, droite et gauche. Il est donc dit "énantiomorphe " Ces deux formes coexistent fréquemment dans un même bloc cristallin. Ces deux formes doivent être séparées et de nombreuses autres imperfections du quartz naturel doivent être éliminées au cours de l'usinage des cristaux.
Le cristal doit ensuite être découpé en lames d'où seront tirés des parallélépipèdes, des cylindres et des lentilles dont les dimensions définiront les propriétés vibratoires. On appelle axe Z, ou axe optique, l'axe de symétrie d'ordre 3, parallèle à la longueur du quartz : aucune propriété piézo-électrique ne lui est associée. L'axe X (électrique) et l'axe Y (mécanique) sont dans un plan perpendiculaire à Z. Par rapport à ces axes, on définit des "coupes" utilisées pour les applications principalement électroniques du quartz, qui sont baptisés (X, Y, NT, AT,... )
Une lame de quartz piézo-électrique, de coupe et de dimensions particulières, possède un certain nombre de fréquences de résonance mécanique propres. L'ordre de grandeur de la fréquence de résonance propre est en effet en grande partie déterminé par la coupe.
Un testeur de quartz très simple:
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