Den richtigen Quarz für LoRaWAN®-Applikationen auswählen

MHz-Funkquarz und 32.768 kHz Uhrenquarz – Technischer Leitfaden

Der Schwingquarz ist das Herzstück jeder LoRaWAN-Applikation. Die richtige Auswahl entscheidet über Reichweite, Zuverlässigkeit und Energieeffizienz Ihres Endgerätes.

Dieser Leitfaden zeigt Ihnen, worauf es bei der Quarzauswahl für LoRaWAN ankommt – für den 26 MHz oder 32 MHz Funkquarz am Transceiver und den 32.768 kHz Uhrenquarz für die Real-Time-Clock.

LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) nutzt die LoRa®-Modulationstechnologie von Semtech, um Daten über große Entfernungen (bis zu 15 km im Freifeld) bei extrem geringem Energieverbrauch zu übertragen. Im Vergleich zu anderen Funktechnologien wie Bluetooth, Wi-Fi oder Zigbee stellt LoRaWAN dabei besonders hohe Anforderungen an die frequenzerzeugenden Bauelemente:

• Schmalbandige Modulation: LoRa arbeitet mit Bandbreiten von 7,8 kHz bis 500 kHz. Je schmaler die Bandbreite, desto höher die Anforderung an die Frequenzgenauigkeit des Quarzes.
• Hohe Spreading Factors (SF7–SF12): Höhere Spreading Factors ermöglichen größere Reichweiten, verlängern aber die Sendezeit (Time on Air) erheblich – bei SF12 und BW 125 kHz beträgt die Symbolzeit ca. 32,8 ms.
• Regulatorische Anforderungen: In Europa (EU868) gelten strenge Kanaltoleranzen nach ERC 70-03. In den USA (US915) wird Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) eingesetzt. Beide Szenarien erfordern eine präzise Frequenzreferenz.
• Batteriebetrieb: Die meisten LoRaWAN-Endgeräte laufen jahrelang mit einer Batterie. Jedes Milliampere zählt – und der Quarz hat direkten Einfluss auf den Stromverbrauch der Oszillatorschaltung.

Welche Frequenz wird benötigt?

Je nach verwendetem LoRa-Transceiver-IC wird ein 32 MHz oder ein 26 MHz Schwingquarz als Referenztakt benötigt. Die aktuelle Generation der Semtech-ICs (SX126x, LLCC68, LR11xx) arbeitet mit 32 MHz. Einige ältere oder alternative Chipsätze sowie bestimmte Gateway-Designs können 26 MHz verwenden.

Dies ist die zentrale Entscheidung bei der LoRaWAN-Quarzauswahl:

Schwingquarz (Crystal) empfohlen bei:

• Typischen Indoor/Outdoor-Endgeräten mit moderaten Temperaturbedingungen
• Anwendungen bis SF10 bei 125 kHz Bandbreite
• Kostensensitiven Designs

TCXO empfohlen bei:

• Extremen Temperaturbedingungen (arktische oder Wüstenregionen)
• Bandbreiten < 62,5 kHz (Semtech rät hier explizit zum TCXO)
• Höchsten Spreading Factors (SF11/SF12) bei 125 kHz über den gesamten Temperaturbereich
• Asset-Tracking mit GNSS (LR1110/LR1120: TCXO für GNSS-Scan obligatorisch)
• Gateway-Designs, bei denen Frequenzgenauigkeit der Basisstation die Systemleistung bestimmt
   

Wichtig: Die LoRaWAN-Spezifikation der LoRa Alliance® schreibt keinen TCXO vor. 

Die Wahl hängt von der konkreten Applikation ab.

1. Frequenztoleranz bei +25 °C

Empfohlen: ±10 ppm max. für LoRaWAN-Endgeräte.

2. Temperaturstabilität

Für Standard-LoRaWAN-Endgeräte im Temperaturbereich von -20°C bis +70°C ist eine Temperaturstabilität von ±10 ppm max., bzw. für -40°C bis +85°C ist eine Temperaturstabilität von ±15 ppm max. ausreichend. Für erweiterte Temperaturbereiche von -40°C bis +105°C oder gar -40°C bis 125°C wird ein Quarz mit enger Temperaturstabilität oder ein TCXO benötigt.

3. Temperaturstabilität

Die Quarzalterung nach 10 Jahren wird mit ±10ppm max. empfohlen

4. ESR (Equivalent Series Resistance) – der oft unterschätzte Parameter

Der ESR (Serienwiderstand) des Quarzes ist für LoRaWAN-Applikationen besonders relevant:

• Niedrigerer ESR = schnelleres und sichereres Anschwingen: Bei batteriebetriebenen Endgeräten, die periodisch aus dem Sleep-Modus aufwachen, muss der Quarz schnell und zuverlässig anschwingen.
• Niedrigerer ESR = geringerer Stromverbrauch: Der Quarzstrom steigt mit dem ESR. Bei Geräten mit 10 Jahren Batterielebensdauer macht sich jedes Milliampere bemerkbar.
• Semtech-Anforderungen: SX1261/62 und LLCC68: max. 40 Ω. SX1276: bis zu 60 Ω zulässig.

Empfehlung: Verwenden Sie Schwingquarze mit ESR-Werten deutlich unter den Maximalwerten. Unsere exklusiven LRT-Schwingquarze (Low ESR Resonator Technology) bieten hier einen signifikanten Vorteil durch widerstandsoptimierte Resonator-Designs mit besonders niedrigen ESR-Werten.

4. Lastkapazität (Load Capacitance, CL)

Muss auf die IC-Empfehlung abgestimmt sein. Gängige Werte für LoRa-Transceiver: 6 pF, 8 pF, 9 pF, 10 pF oder 12 pF – je nach IC und Referenzdesign. Eine Fehlanpassung verschiebt die Betriebsfrequenz und kann die Gesamtfrequenztoleranz verletzen. In den meisten Applikationen werden unsere LoRa-Quarze mit der Lastkapazität von 8pF verwendet.

5. Gehäusegröße

Warum braucht eine LoRaWAN-Applikation einen 32.768 kHz Quarz?

Neben dem MHz-Funkquarz benötigen die meisten LoRaWAN-Endgeräte einen 32.768 kHz Uhrenquarz für die Real-Time-Clock (RTC) des Mikrocontrollers:

• Sleep-Timer: Das Endgerät verbringt den Großteil seiner Lebensdauer im Deep-Sleep. Die RTC weckt den Prozessor in definierten Intervallen auf.
• LoRaWAN Class B Synchronisation: Class-B-Endgeräte müssen zeitlich synchron mit dem Gateway Empfangsfenster (Ping-Slots) öffnen.
• Zeitstempel für Sensordaten: Viele IoT-Applikationen erfordern genaue Zeitstempel für erfasste Messwerte.
• Duty-Cycle-Management: In Europa begrenzt der Duty Cycle die maximale Sendezeit pro Stunde. Die RTC steuert die Einhaltung.

Die neueren Semtech-Transceiver LR1110 und LR1120 verfügen über einen integrierten 32.768 kHz Niederfrequenz-Kristalloszillator (XOSC), der direkt für die RTC genutzt werden kann. Alternativ kann ein externer 32.768 kHz Takt vom Host-Mikrocontroller über DIO11 zugeführt, oder ein 32.768 kHz Quarz mit der Lastkapazität von 9pF verwendet werden.

1. ESR (Equivalent Series Resistance)

Der ESR ist auch beim 32.768 kHz Quarz ein Schlüsselparameter – vielleicht sogar noch kritischer als beim MHz-Quarz. Viele Mikrocontroller-Oszillatorstufen haben einen begrenzten negativen Eingangswiderstand. Ist der ESR zu hoch, schwingt der Quarz nicht zuverlässig an.

Empfehlung: Für LoRaWAN-Applikationen ist der 32.768 kHz Quarz im 3.2 x 1.5 mm / 2-Pad Keramikgehäuse mit max. 50 kΩ ESR die sicherste und gleichzeitig günstigste Wahl. Sein niedriger Widerstand sorgt für schnelleres und sichereres Anschwingverhalten.

2. Frequenztoleranz

Für die RTC-Funktion ist eine Frequenztoleranz von ±20 ppm bei +25 °C in den meisten Fällen ausreichend. Für LoRaWAN Class-B-Synchronisation kann eine engere Toleranz von ±10 ppm vorteilhaft sein.

3. Lastkapazität

Typische Werte: 4 pF, 6 pF, 7 pF, 9 pF, 12.5 pF oder 18 pF. Die Lastkapazität muss exakt auf die Empfehlung des MCU-Herstellers abgestimmt sein. Meistens werden die 32.768 kHz Quarze mit den Standard-Lastkapazitäten von 7 pF und 9 pF in LoRa-WAN Applikationen eingesetzt. Eine häufige Fehlerquelle in LoRaWAN-Designs ist die Verwendung eines 32.768 kHz Quarzes mit falscher Lastkapazität, was zu systematischer Frequenzverschiebung und RTC-Drift führt.

MHz-Funkquarz (32 MHz / 26 MHz)

1. Datenblatt des Transceiver-ICs prüfen – wird 32 MHz oder 26 MHz gefordert?
2. Ggf. unsere qualifizierte Quarzberatung mit -empfehlungen nutzen
3. Lastkapazität gemäß IC-Referenzdesign ermitteln (6, 8, 9, 10 oder 12 pF)
4. Maximaler ESR des IC-Datenblatts prüfen – Quarz mit deutlich niedrigerem ESR wählen
5. Temperaturbereich der Applikation definieren – bei extremen Bedingungen TCXO evaluieren
6. Platzbedarf bewerten – 3.2 x 2.5 mm als Standard, 2.0 x 1.6 mm oder 1.6 x 1.2 mm wenn Platz knapp ist
7. Anschwingsicherheit prüfen lassen – insbesondere bei Low-Power-Designs

32.768 kHz Uhrenquarz

1. MCU-Datenblatt prüfen – Lastkapazität und empfohlenen ESR ermitteln
2. Möglichst niedriger ESR – 3.2 x 1.5 mm / 2-Pad mit 50 kΩ max. bevorzugen
3. Korrekte Lastkapazität sicherstellen – Fehlanpassung führt zu RTC-Drift
4. Anschwingverhalten bei minimaler Betriebsspannung testen
5. PCB-Layout beachten – kurze Leitungen zum IC, keine langen Traces neben dem Quarz

Die Quarzauswahl für LoRaWAN-Applikationen erfordert ein sorgfältiges Abwägen von Frequenzgenauigkeit, ESR, Gehäusegröße und Kosten. Für den MHz-Funkquarz ist ein 32 MHz (oder 26 MHz, je nach IC) Schwingquarz mit niedrigem ESR (≤ 40 Ω) und ±10 ppm Frequenztoleranz die richtige Wahl für die meisten Endgeräte. Selbstverständlich können wir auch 32 MHz TCXOs liefern. Bevorzugt wird die günstigste Version im 2.0 x 1.6mm Keramikgehäuse.

Für die RTC empfiehlt sich ein 32.768 kHz Quarz im 3.2 x 1.5 mm Keramikgehäuse mit maximal 50 kΩ ESR – das sicherste Anschwingverhalten zum günstigsten Preis.

Der entscheidende Erfolgsfaktor ist die Zusammenarbeit mit einem Quarzspezialisten, der Sie bei der Auswahl unterstützt und bei Bedarf eine Schaltungsanalyse durchführen kann, um die optimale Anschwingsicherheitsreserve für Ihre konkrete LoRaWAN-Applikation sicherzustellen.

Produktkonfigurator MHz-Schwingquarz 3.2 x 2.5 mm / 4-Pad

Produktkonfigurator MHz-Schwingquarz 2.0 x 1.6 mm / 4-Pad

Produktkonfigurator MHz-Schwingquarz 1.6 x 1.2 mm / 4pad

Produktkonfigurator 32kHz-Schwingquarz 3.2 x 1.5 mm / 2-Pad 

Produktkonfigurator 32kHz-Schwingquarz 2.0 x 1.2 mm / 2-Pad 

Produktkonfigurator 32kHz-Schwingquarz 1.6 x 1.0 mm / 2-Pad

Suche nach Referenz-Designs

Rufen Sie mich bitte zurück (mit Terminvereinbarung)

Kontakt per E-Mail

Technische Beratung anfordern

LoRa® und LoRaWAN® sind eingetragene Marken der Semtech Corporation bzw. der LoRa Alliance®. Alle anderen genannten Marken sind Eigentum ihrer jeweiligen Inhaber.