Accueil > Électronique > Quartz (Électronique)
Électronique

Quartz (Électronique)

Partagez l'article sur les réseaux sociaux

Le quartz est un composant électronique dit passif , qui a la particularité de vibrer (résonner) à une fréquence bien particulière et très stable. Il intervient dans la réalisation d’oscillateurs, d’horloges, de compteurs, de fréquencemètres, et en général de tout équipement pour lequel la précision temporelle est importante. Le quartz peut également être utilisé dans la réalisation de filtres réjecteurs à largeur de bande étroite et à fort taux de réjection (d’atténuation).

Quartz (Électronique)
  • Usages Et Applications :

Les quartz sont utilisés dans tous les équipements d’émission genre CB, émetteurs FM, micro sans fil de qualité, TalkyWalky (par exemple, un quartz de 27,125 MHz qui correspond au canal 14 de la bande CB), dans les ordinateurs. Dans certains équipements vidéo aussi, tels que les codeurs PAL ou SECAM, où un quartz de 4,43 MHz est utilisé pour la sous-porteuse couleur (chroma). On peut aussi trouver des quartz dans les équipements audio assurant des conversion analogique vers numérique (ou l’inverse).

La fréquence d’oscillation du quartz n’est pas forcement utilisée directement, elle peut être divisée pour obtenir une valeur de façon plus facile. Par exemple, un microphone sans fil peut intégrer un synthétiseur de fréquence, qui ne fait usage que d’un seul quartz, mais qui peut toutefois proposer 1440 canaux différents, chacun offrant une stabilité en fréquence qui dépend de celle du quartz. Dans un convertisseur audio analogique vers numérique, un seul quartz peut très bien être utilisé pour générer une horloge à 32 kHz, à 44,1 kHz ou à 48 kHz.
Pour les équipements nécessitant une meilleure stabilité que celle offerte par le quartz (émetteur de télévision par exemple), il est fait usuge de VCXO .

Un exemple pratique et moins “technique” : prenez l’exemple de votre montre… à quartz. Elle contient un quartz (en général de 32,768 kHz) qui permet un cadencement précis de l’heure. Divisez successivement par 2 la valeur de ce quartz, jusqu’à ce que le résultat ne soit plus un entier (la division par 2 est très simple à réaliser en électronique). 

=>>Applications :

Les quartz sont conçus pour vibrer à des fréquences allant de la dizaine de kilohertz, à quelques dizaines de mégahertz. La production mondiale de quartz électroniques est de deux milliards (2×109) chaque année. La plupart sont destinés aux montres à quartz, et pour fournir une base de temps dans les circuits électroniques. On trouve des quartz dans les équipements de test et de mesure, tels que compteurs, générateurs de signaux à basses fréquences, oscillateurs à hautes fréquences ou oscilloscopes. Les quartz sont également très utilisés dans les systèmes de radiocommunication, pour les références de fréquences, mais aussi pour réaliser des filtres de bande étroits.

  •  Valeurs :

La fréquence de résonance des quartz que l’on rencontre facilement se situe entre quelques dizaines de kHz et quelques 100 MHz. Il existe des fabricants de quartz qui peuvent tailler un quartz sur mesure pour le faire résonner à la fréquence de votre choix. Et comme vous pouvez vous en douter, faire tailler un quartz sur mesure pour un usage unique peut présenter une contrainte de prix non négligeable, que l’amateur ne peut pas forcement se permettre.  

  •        Fonctionnement du quartz :

Un quartz est un élément mécanique qui présente des caractéristiques lui permettant de vibrer à une ou plusieurs fréquences bien déterminée. Quand on dit vibrer, c’est bien à une vibration mécanique que l’on fait allusion. Cette vibration mécanique peut s’amorcer quand on tapote (doucement) le quartz mais ne peut rester entretenue : elle disparaît rapidement une fois le choc passé. Pour que le quartz continue de vibrer (d’osciller), il faut le soumettre à un courant électrique qui le stimule. 

Et si le circuit électronique dans lequel on le place répond à des critères “suffisants”, le quartz entre en résonance (il se met à osciller) et le reste. Le principe d’un oscillateur à quartz est justement de fournir l’énergie nécessaire au quartz pour entrer en oscillation et le rester.

  • Stabilité et précision de la fréquence d’oscillation :

La précision d’un quartz représente l’écart maximal entre la valeur de la fréquence de résonance réelle et celle que l’on attend (qui est inscrite sur le boitier). Sa stabilité représente sa capacité à osciller à la même fréquence quelque soit les conditions d’environnement, notamment la température ambiante. Les fabricants de quartz ont élaboré plusieurs techniques de fabrication pour améliorer la stabilité de leurs composants, mais avec pour résultat des prix de vente bien plus élevés pour des composants de grande précision. Ce qui ne surprendra bien sûr personne. Si la stabilité d’un quartz est bonne d’un point de vue instantané et à une température ambiante fixe, on ne peut plus en dire autant d’un quartz soumis à de larges variations de température. A une température ambiante de (+25 °C), on estime la stabilité du quartz à quelque (+/-20 ppm (ppm = part per million). Côté pratique et pour une horloge temps réel, cela correspond à une précision d’environ 1,7 seconde par jour, soit un peu plus de 10 minutes par an. Pour ma part je ne considère pas cette précision comme catastrophique, surtout si on la compare à celle de certaines montres mal réglées qu’il faut remettre à l’heure toutes les semaines. Mais souvenons-nous qu’on parle ici de la précision à une température ambiante de (+25 °C), et que cette précision diminue fortement quand la température diminue ou augmente dans de grandes proportions (par exemple -10 °C à +45 °C), et encore on ne parle même pas de certaines conditions industrielles où la plage de fonctionnement peut s’étaler entre (-40 °C et +85 °C). A des températures extrêmes, la précision passe de (+/-20 ppm à plus de +/-100 ppm et peut même aller au-delà de +/-150 ppm). A ce stade, on aboutit à une précision de +/-13 secondes par jour ou plus d’une heure par an, ce n’est plus du tout la même chose. 

  • Modélisation :

Un quartz peut être modélisé comme un circuit électrique possédant deux fréquences de résonance proches l’une de l’autre, l’une à faible impédance (série), et l’autre à haute impédance (parallèle). L’impédance du circuit peut s’écrire :                              

Z(s) = \frac{s^2 + s\frac{R_1}{L_1} + {\omega_s}^2}{s C_0 (s^2 + s\frac{R_1}{L_1} + {\omega_p}^2)}

où :

s

  est la fréquence complexe  (

s=j\omega

)  ,

\omega_s

  est la pulsation de résonance série  (

\omega_s = \sqrt{\frac{1}{L_1 C_1}}

)  ,

\omega_p

  est la pulsation de résonance parallèle  (

\omega_p = \frac{1}{\sqrt{L_1\frac{C_0 C_1}{C_0 + C_1}}}

) .

=> Remarques:La capacité Co dépend de la configuration physique et du type de taille du quartz. Pour un quartz de taille AT, c’est pratiquement la capacité constituée par les métallisations du quartz, et elle est de l’ordre de quelques pF (pico Farad ). La fréquence de résonance série (donnée par L1-C1) ne dépend pas de Co. À cette fréquence, le quartz est pratiquement équivalent à la résistance R1, qui est de quelques ohms à quelques dizaines d’ohms.Les éléments L1 et C1 sont des éléments fictifs qui modélisent le résonateur. A la résonance série, l’impédance de C1 est égale en module à l’impédance de L1. Cette impédance est égale à Q fois R1. Comme le coefficient de surtension Q est de plusieurs milliers, on voit aisément que cette impédance est très grande: la capacité C1 se chiffre en femtofarads, et la self L1 se chiffre en millihenrys.L’ajout d’un condensateur en dérivation, donc en parallèle sur Co, va provoquer une diminution de la fréquence de résonance parallèle du quartz. Ce phénomène peut être utilisé pour régler la fréquence suivant le besoin. Les fabricants prennent en compte ce point lors de la découpe du quartz pour avoir la fréquence correcte pour une charge donnée. Par exemple, un quartz 32,768 kHz – 6 pF ne fonctionnera à cette fréquence que s’il est utilisé avec un circuit dont la capacité est de 6 pF.

  • Boitier :

Plusieurs types de boîtiers sont disponibles, du tout petit de type Horloger, que l’on trouve dans les montres à quartz (32,768 KHz), aux formats tout aussi répandus que les HC18, HC25, HC33, HC38 ou encore HC49 …. 


Partagez l'article sur les réseaux sociaux

Laisser un commentaire

Votre adresse de messagerie ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *

Résoudre : *
16 + 17 =