LE QUARTZ
Présentation et définition
Le quartz est un composant électronique passif qui permet de générer des signaux périodiques de fréquence stable. Très utilisé dans les horloges, les ordinateurs et autres équipements électroniques, il oscille à une fréquence naturelle déterminée par sa forme et sa taille. Grâce à sa haute précision et sa faible dérive en fréquence.
1. Structure interne d'un quartz
Le quartz est constitué par de la silice naturelle cristallisée dont les atomes forment un assemblage géométrique régulier dans l’espace.il en ressort des cristaux ayant la forme de prisme hexagonaux à extrémités pyramidales et montée entre deux lames métalliques. Voir la figure ci-dessous.
Figure 1 Aspect d'un cristal naturel de quartz. Figure 1.1 Structure interne d'un quartz.
a) Aspect d'un cristal naturel de quartz:
b) Lame taillée:
c) Lame de quarzt montée entre deux éléctrodes métalliques:
2. Fonctionnement
Un quartz est un élément mécanique qui présente des propriétés lui permettant de vibrer à une ou plusieurs fréquences bien déterminées. Cette vibration mécanique s’amorce quand on tape doucement. La forme et la dimension du cristal de quartz déterminent la fréquence de résonance de ces vibrations ou oscillations. Mais cette vibration ne sera pas entretenue puisqu’elle disparaîtra rapidement. Mais, pour que le quartz continue à vibrer, il faudra le soumettre à un courant électrique.
3. Symbole
La représentation symbolique d’un quartz dans un schéma peut prendre les formes suivantes. Une lame de quartz entre 2 électrodes et en dessous la lettre Q ou Y suivi de la fréquence.Voir la figure 3.1.
Figure 3.1 représentation symbolique d'un quartz.
4. Shéma équivalent d'un quartz
La figure 4.1 représente le schéma équivalent d’un quarzt décrivant électriquement le fonctionnement de la lame de quartz qui est reliée par 2 électrodes. Les éléments Ls, Cs et Rs n'existent pas réellement mais, ils sont présents uniquement pour simuler électriquement le comportement de la lame de quartz.
Figure 4.1 Shéma équivalent d'un quartz.
LS : inductance représentant la masse de la lame de quartz.
CS : capacité représentant la rigidité de la lame.
RS : représente les pertes électriques lors des oscillations de la lame.
C0 : la capacité des électrodes placées d'un côté et de l'autre de la lame.
5. Effet piézoélectrique
Certains matériaux ont la propriété naturelle de produire une charge électrique en leur surface lorsqu’on les soumet à une contrainte mécanique. Ce principe s’appelle l’effet piézoélectrique. Ce sont les frères Pierre et Jacques Curie en 1880 suite à l’observation de certains cristaux de quartz qui le mettent en évidence.
5.1 Application de la piézoélectricité
L'effet piézo-électrique que l’on retrouve dans de nombreuses applications de notre quotidien. Une utilisation très connue est le briquet la force exercée sur le cristal piézo-électrique produit une tension électrique qui se décharge brutalement sous forme d’étincelles. La piézo-électricité est également utilisée en acoustique pour transformer les ondes acoustiques en signal électrique microphones, haut-parleurs.
6. Différents types de boîtiers
Les quartz sont disponibles dans différents format en boîtiers métalliques convenant à toutes les applications électroniques.D’autres forme de boîtiers existent aussi en CMS composants montés en surface voir la figure 6.2. Les différents type de boîtiers de quartz normalisés et les plus couramment utilisés sont pour:
Les hautes fréquences HC-18/U, HC-25/U, HC-45/U et HC-49/U
Les basses fréquences HC-6/U, HC-13/U, HC-33/U et HC-32/U
Figure 6.1 des modèles embrochables.
Figure 6.2 Des quartz en format en CMS.
7. Domaine d’applications
Les quarzt sont principalement utilisés dans le domaine de l'électronique comme dispositifs de temporisation dans différentes applications, telles que les ordinateurs, les montres, les microprocesseurs, les circuits numériques et les microcontrôleurs. Ainsi les téléphones portables, permettant d’assurer une mesure précise du temps et des fréquences.
7.1 Fonctionnement d'une montre à quartz
Dans une montre à quartz, le cœur de la montre est constitué par le circuit intégré. La division du temps est opérée par un oscillateur à quartz vibrant sous l'effet de l'énergie électrique fournie par une pile. La source d'énergie est constituée par une pile miniaturisée, dont la durée de vie atteint plusieurs années. La division du temps est opérée par un oscillateur à quartz, que fait vibrer l'énergie fournie par la pile.
Les montres à quartz sont d'une extrême précision grâce à une fréquence de vibrations élevée 32 kHz. Leur variation annuelle est par conséquent très faible : de l'ordre d'une minute par année, soit moins d'une seconde par jour shéma d'une montre à quarzt voir la figure 7.2.
7.2 Schéma d'une montre à quartz
1)Pile
2) Circuit intégré
3) Quartz
4) Trimmer régulant la fréquence
5) Moteur pas à pas
6) Rouage
7) Affichage analogique
Shéma d'une montre à quartz figure 7.3.
7.4 Le filtrage par quartz
Les quartz permettent aussi de réaliser des filtres passifs très sélectifs. Un filtre est composé d’une suite de quartz dont l’objectif est de réduire la bande passante à la valeur souhaitée la figure 7.5 représente la structure d’un filtre à quarzt.
Figure 7.5 Structure de filtre à quartz.
7.5 Oscillateur de Pierce
L'oscillateur de Pierce, inventé par George Washington Pierce, est un oscillateur électronique fréquemment utilisé afin de réaliser des oscillateurs à quartz. En effet, cet oscillateur est surtout adapté aux oscillateurs à quartz en fréquence fondamentale puisque celui-ci ne demande pas de self. D’autant plus que la capacité C1, permet d'ajuster précisément la fréquence, sera plus ou moins égale au tiers de la capacité C2. Le schéma est donné sur la figure 7.6 que l’on retrouve dans nombreux systèmes électroniques. Ce type d’oscillateur sert à fournir l’horloge de fonctionnement des systèmes numériques.
Figure 7.6 Oscillateur de pierce.
8. Comment tester un quarzt ?
Si la plupart des composants électroniques sont en principe assez simples à tester, ce n’est pas le cas pour un quartz puisque celui-ci ne peut être vérifié avec aucun appareil de mesure. Alors la solution consiste à le mettre sur un montage oscillateur et de contrôler si ça oscille. D’ailleurs parmi les divers composants que vous serait amené à vérifier, le quartz est celui-ci qui pratiquement ne tombe jamais en panne. La figure8.1 et 8.2 vous présente un testeur de quartz réalisé soit même.
Figure 8.1 Shéma d'un testeur de quarzt.
Figure 8.2 Tracé d'implantation.
Conclusion
Les quartz sont des composants indispensables dans le secteur de l’électronique. Avec cette capacité à produire des fréquences précises et stables dans diverses applications. Mais Leur point faible reste la sensibilité aux variations de température et aux chocs physiques, les avancées technologiques continuent d’améliorer leurs performances ainsi que leurs fiabilités. Néanmoins le quartz continue de subir de nombreuses innovations. L’intégration de ces composants dans des circuits de plus en plus miniaturisés et l’amélioration de leur précision. En tant que composants clés dans les nouvelles technologies actuelles et futures.