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21 2025 Elektronik 23 Quarze Oszillatoren Taktgeber selbst geringfügige Abweichun gen über Stunden Tage oder Jahre hinweg zu erheblichen Zeitfehlern summieren können ➔➔ Holdover-Leistung In kritischen Zeitmesssystemen – wie Satelliten Netzwerk infrastrukturen und Messgeräten – dienen Oszillatoren häufig als Backup-Uhren wenn externe Refe renzen wie GPS nicht verfügbar sind Während dieser Haltezeit hold over muss der lokale Oszillator ein genaues Timing aufrecht erhalten Durch Alterung verursachte Fre quenzabweichungen können die Genauigkeit der Zeitübernahme beeinträchtigen und zu Synchroni sationsfehlern in Netzwerken oder Datenverlusten in zeitkritischen Anwendungen führen ➔➔ Langfristige Zuverlässigkeit Bei längerem Betrieb kann der kumu lative Effekt der Alterung die Fre quenz des Oszillators außerhalb der für die Anwendung akzeptablen Grenzen bringen was eine Neu kalibrierung einen Austausch oder Kompensationsmechanismen erfor derlich macht ➔➔ Umweltsensibilität Alterungs effekte können durch Umweltfak toren wie Temperaturschwankungen und Stromausfälle verstärkt werden wodurch die Zeitmessung weiter destabilisiert wird Strategien zur Risikominimierung Zu den Strategien zur Risikominimie rung gehören der Einsatz von Oszilla toren mit von Natur aus geringen Alte rungsraten die Implementierung von Kompensationsalgorithmen und die Entwicklung von Systemen die eine Neukalibrierung oder Redundanz bei Zeitquellen ermöglichen Für die Herstellung von Quarzkristal len mit sehr geringer Alterung sind Sauberkeit und Kontaminationskont rolle während der Verarbeitung von größter Bedeutung Als nächstes muss der Quarzresonator in einer extrem hermetischen Umgebung versiegelt werden entweder in einem wider standsverschweißten oder noch bes ser kaltverschweißten Gehäuse Zusätzlich kann eine lange Temperung bei hohen Temperaturen die anfängli chen Frequenzänderungen beschleu nigen Ein weiterer Ansatz ist die Voralte rung Vor der Auslieferung werden Präzisionsquarze häufig werksei tig vorgealtert um die anfängliche schnelle Alterungsphase zu beschleu nigen Dadurch wird sichergestellt dass der Oszillator seine spezifizierte Alterungsrate im Einsatz schnel ler erreicht Hochwertige Quarze im SC-Schnitt stresscompensated oder AT-Schnitt werden aufgrund ihrer überlegenen Langzeitstabilität und geringeren intrinsischen Alterungs raten ausgewählt wobei SC-Schnitt-Quarze in Quarzoszillatoren eine bes seres Alterungsverhalten bieten als die typischerweise verwendeten ATgeschnittenen Typen Der Alterungsprozess von Schwing quarzen verlangsamt und verbessert sich mit der Zeit wobei in den ersten Monaten und Jahren mehr Verände rungen zu beobachten sind als in den folgenden Zeiträumen Beispielsweise kann bei Standard-Quarzoszillatoren bei denen der Quarzresonator in der selben Umgebung wie der Rest der Oszillatorschaltung untergebracht ist die typische Alterungsrate im ersten Jahr ±1 bis ±5 ppm und in den folgen den Jahren ±0 5 bis ±2 ppm betragen Die militärische Standardspezifikation für Quarzkristalle MIL-PRF-55310 und ihr Vorgänger MIL-O-55310 legt die Alterung von Quarzorzillatoren genau fest und schreibt einen 30-tägigen Alterungstest bei einer erhöhten Temperatur von mindestens 70 °Cvor wobei streng definierte Grenzwerte für die zulässige Frequenzän derung gelten Darüber hinaus enthalten die militärischen Spe zifikationen mathematische Gleichun gen mit denen die Daten aus 30 Tagen Alterung extrapoliert werden können um die ungünstigste Alterung über längere Zeiträume vorherzusagen Bei Q-Tech und AXTAL werden Quar zoszillatoren die für den Einsatz in zeitkritischen Anwendungen vorgese hen sind auf die Einhaltung der Norm MIL-PRF-55310 geprüft In Zeitmessanwendungen die eine noch bessere Performance erfordern wird der Quarzresonator in einer eige nen separaten hermetischen Umge bung eingeschlossen in der Regel in einem kaltverschweißten ColdWeld-CW-Gehäuse Kaltverschweißen ist ein Festkörper-Schweißverfahren bei dem die Verbindung ohne Verschmel zung oder Erwärmung an der Schnitt stelle der beiden zu verschweißenden Teile erfolgt Anders als beim Schmelz schweißen ist in der Verbindung keine f lüssige oder geschmolzene Phase vorhanden Die geringe zugeführte Wärme minimiert die Ausgasung Mit dieser Art von Schwingquarzen können TCXOs temperaturkompen sierte XOs und OCXOs im ersten Jahr typische Alterungsraten von ±0 2 bis ±1 ppm erreichen in den folgenden Jahren dann ±0 1 bis ±0 5 ppm oder sogar noch bessere Werte Hochstabile OCXOs erreichen Alterungsraten von ±0 03 bis ±0 1 ppm im ersten Jahr und ±0 05 ppm oder besser ha Bild 2 In dem für den Weltraumeinsatz qualifizierten OCXO QT4200 von Q-Tech steckt ein SC-Schnitt-Quarz in einem kaltverschweißten Gehäuse Seine 15-jährige Alterung ist auf 1 5 ppm festgelegt Ron Stephens ist ehemaliger Präsident der Q-Tech Corporation Er verfügt über jahrzehntelange Erfahrung in der Quarzoszillatorbranche und hat Abschlüsse in Physik Mathematik sowie Operations Research