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| photo d' un quartz naturel . |
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 . |
1.2.Symboles
1.3.Unités; Formules
1.4.Valeurs
QUARTZHORLOGE
Voici quelques boîtiers :
Pour les Quartz horloge à résonanceparallèle. 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 |  |
| Boîtier HC18/U |  | |
| Boîtier bas profil | Boîtier |  |
1.5.Variantes
Oscillateurs à quartzcompatibles 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 céramiquesremplacent avantageusement les quartz dans les basses fréquences (<1 MHz).Précision ±2%. Bonne stabilité. Coefficient de température 10-5/°C.
1.6. Utilisations
Avec des portes inverseuses
Avec un CD4060
2.1.Composition
La lamelle de quartz se déforme sous une tension électrique à cause descharges électriques .Un quartz se connecte avec deux broches qui alimentent les électrodes de part et d' autre du cristal .Sur le support un isolant permetde maintenir les broches , le tout est en capsulé dans un boîtier métallique.Si un quartz est placé dans un circuit électronique résonant il va oscillerà une fréquence dépendante de ses dimensions ( plus la fréquence croît,plus la lamelle est mince ) . Pour des fréquences allant jusqu'à 30 MHz, lequartz oscille sur sa fréquence fondamentale, au dessus il faudra utiliserun quartz taillé pour une fréquence plus basse et on le fera osciller sur unharmonique.
MODES OF OSCILLATION
A crystal is designed to operate on its fundamental or overtone mode. Theovertone modes are odd multiples of the fundamental frequency. For example, a 15MHz fundamental mode crystal will also display overtone modes at approximately45 MHz on its 3rd, 75 MHz on its 5th, 105 MHz on its 7th, 135 MHz on its 9thovertone and 165 MHz on its 11th. This information is important when ordering acrystal 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 are18-75 MHz, 5th's are 50-120 MHz and 7th's are 80-180 MHz.
2.2.Formules+
2.2.2.Les éléments piézoélectriques utilisés en électronique.
Ces composants sont très utilisés en électronique, informatique, et en métrologie. Il s'agitde cristaux dépourvus de symétrie car le phénomène n'existe pas dans lescorps isotropes.
Depuis plus de 30 ans, non seulement le quartz naturel maisaussi les quartz artificiels sont de plus en plus utilisés dans un florilèged'applications. Depuis une vingtaine d'années, les céramiques polycristalinespolarisées ont obtenu un succès grandissant, elles complètent lesapplications déjà fort variées des Quartz traditionnels.
C'est en 1881 qu'un petit malin du nom de Pierre CURIE a décritson effet DIRECT:
Toute application d'un choc mécanique sur un cristal piézoélectriqueproduit en retour une tension électrique récupérable sur la surface ducristal.
Un autre petit malin, un certain LIPPMAN mis en évidence l'inversedu phénomène, à savoir que toute tension appliquée sur les parois d'uncristal de quartz dont on aura métallisé les faces pour augmenter laconduction du courant électrique permettra de déformer celui-ci. Ceci dans les3 dimensions .
Le principal matériau piézoélectrique est lequartz . Naturel ou artificiel, celui-ci permet des utilisations variées etparticulièrement intéressantes. Le gemme de quartz artificiel (qui représenteplus de 95% des pièces utilisées actuellement) est produit dans des étuves spécialescapables sous une énorme pression de plus de 30 bars et avec une très hautetempérature de permettre la création des cristaux de Quartz purs à 99,9% cequi, dans la nature est rarement le cas.( les conditions pression / chaleur étantplutôt aléatoires) Des petits morceaux de quartz sont suspendus en cercleautour d'un châssis mobile plongé ensuite dans l'étuve constitué d'un énormecylindre enterré et coiffé d'une sorte de cloche boulonnée sérieusementavant la mise en pression.
Au fond de celle-ci, un mélange de silice et d'eau parfoisoxygénée 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 représentéplus bas .
Ces gammes quasi-parfait seront ensuite tranchés selon unangle TRÈS précis car c'est cet angle de taille qui déterminera la stabilitédu résonateur en fonction de la température comme nous le verrons plus loin.
Depuis une une bonne vingtaine d'années desrecherches sur les matériaux piezoélectrique de synthèse ont étés aussieffectuées à travers le monde, notamment aux USA avec Vernitron, et au JAPONavec NGK, Murata, et Kyocera. Ils utilisent des TITANATES et du ZIRCONIUM deBarium ou de Plomb dont les alliages sont jalousement gardés secret.
Ces sociétés ont permis aux électroniciensd'utiliser d'excellents filtres dont les plus usités sont utilisés pour réaliserdes filtres 4,5 à 6.5MHz dans la télévision, 10,7 MHz et 455 KHz dans les récepteursà changement de fréquence et depuis peu même, dans les filtres à onde desurface réservés traditionnellement aux quartz.
Avant d'entrer dans les détails des utilisations, il estbon 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 électriquequi se propage sur la surface de la lamelle. Cette tension est proportionnelleau choc, ceci jusqu'a la rupture mécanique du cristal.
L'une des applications les plus courantes depuis unedizaine d'années est ...Le briquet dit "électronique" qui n'est enfait qu'un briquet électro-mécanique.
Il s'agit d'une pile d'environ10 lames de céramiquemétallisée qui en recevant un choc violent (détente d'un ressort) produit unetension de plus de 1000volts et permet une ionisation sous forme d'une étincellede 5 mm servant à enflammer le gaz du briquet. La durée de vie de cespiles est bien supérieure à celle du système mécanique de frappe qui rend l'âmebien 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 mécaniqueproduisait une tension aux bornes du cristal et qu'une tension appliquée auxdeux électrodes d'une lamelle de quartz produisait une déformation... produisantréciproquement le phénomène inverse. il suffit donc d'insérer unamplificateur entre la sortie et l'entrée pour obtenir... Une répétition àl'infini du phénomène!
D'autre part suivant l'épaisseur du quartz le"TEMPS" de détente sera différent. C'est ce qui déterminera la FRÉQUENCEde cette répétition.
Ainsi est né l'oscillateur piloté par quartz .
Sans lui votre portable ne pourrait fonctionne,r ni votrePC qui a besoin de process synchrones, ni votre Auto-Radio tout du moins dans labande FM vu la précision demandée pour ces applications.
Le GPS lui aussi serait bien incapable de vous donner avecprécision l'endroit où vous vous trouvez et bien sur votre montre qui possèdeun quartz qui "vibre" "32 000 fois par seconde alors que lesmontres mécanique à balancier ne "Vibraient" que 2 à 6 fois parseconde... Une erreur sur 32000 est moins grave qu'une erreur sur 4! D'où l'étonnanteprécision des montres à quartz (même celles à 10 Euros des marchés oùaucun réglage interne n'est prévu dans un but d'économie).
Il en existe des dizaines de montages pour la plupartdu nom de leur découvreur et avec l'avènement des transistors bien d'autresvariantes ont vu le jour.
La suite plus tard.....
Dominique Maréchal2.2.2.La piézo-électricité
Le quartz présente la particularitéd'être piézo-électrique, en d'autres termes cela signifie que si nous luiappliquons une force de compression sur ses faces, nous constatons l'apparitionde charges électriques.
Si maintenant nous inversons l'effortque nous appliquons sur la lamelle de quartz et qu'au lieu de compressercelui-ci nous exercions une traction, nous constatons que le signe des chargess'inverse. Plus l'effort mécanique est important, plus il y a de charges quiapparaissent.
Mais l'effet piézo-électrique nes'arrête pas là, il est réversible, si l' on applique une tension électriquesur la lamelle de quartz, on observe une déformation mécanique. Le quartz estun matériau élastique (dans de faibles proportions ) et il retrouve sa formeoriginelle dès que cesse la tension.
Ceci est important puisque cela dicte la fréquence propre de résonance qui estliée, 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 besttemperature coefficient and provides the widest range of frequencies. The AT cutis available from Cal Crystal for frequencies from approximately 1.0 MHz to ashigh 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 1.0MHz, and are used rarely and usually in much smaller numbers.
Si on choisit de travailler avec du quartz naturel, il faut savoir qu'ilexiste 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 imperfectionsdu quartz naturel doivent être éliminées au cours de l'usinage des cristaux.
Le cristal doit ensuite être découpé en lames d'où seront tirés desparallélépipèdes, des cylindres et des lentilles dont les dimensions définirontles propriétés vibratoires. On appelle axe Z, ou axe optique, l'axe de symétried'ordre 3, parallèle à la longueur du quartz : aucune propriété piézo-électriquene lui est associée. L'axe X (électrique) et l'axe Y (mécanique) sont dans unplan perpendiculaire à Z. Par rapport à ces axes, on définit des"coupes" utilisées pour les applications principalement électroniquesdu 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 grandepartie déterminé par la coupe.
3.1.schema
Un testeur de quartz très simple:
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