Warum schwingt mein 32.768 kHz Quarz nicht an?

Ursachenanalyse und Lösungen für das häufigste Problem in der Embedded-Entwicklung

Das Problem, das jeder Entwickler kennt

Die Schaltung ist fertig bestückt, der Mikrocontroller bootet – aber die Real-Time-Clock läuft nicht. Der 32.768 kHz Quarz schwingt nicht an. Oder schlimmer noch: Er schwingt manchmal an und manchmal nicht. Oder er schwingt an, setzt dann aber sporadisch aus.

Dieses Problem gehört zu den häufigsten und zugleich frustrierendsten Fehlerbildern in der Embedded-Entwicklung. Der 32.768 kHz Uhrenquarz ist ein elektrisch empfindliches Bauteil, das im Zusammenspiel mit einer schwachen Oszillatorschaltung arbeitet – und dieses Zusammenspiel kann durch zahlreiche Faktoren gestört werden.

Dieser Artikel analysiert systematisch die häufigsten Ursachen für Anschwingprobleme bei 32.768 kHz Quarzen und gibt konkrete Lösungsansätze für die Praxis.

Die Oszillatorschaltung im Mikrocontroller muss genügend Energie aufbringen, um den Quarz zum Schwingen zu bringen. Der Betrag des negativen Widerstands (|–R|) der Oszillatorschaltung muss deutlich größer sein als der ESR des Quarzes. Das Verhältnis wird als Anschwingsicherheitsfaktor (Oscillation Margin) bezeichnet:

Anschwingsicherheitsfaktor = |–R| / ESR

Dieser Faktor sollte mindestens 5 betragen, besser 10 oder höher. Liegt er unter 3, wird das Anschwingen unsicher. Im Automotive-Bereich wird generell ein SF >=10 gefordert.

Im Gegensatz zu MHz-Quarzen (typischer ESR: 20–60 Ω) haben 32.768 kHz Quarze einen ESR im Kiloohm-Bereich:

Gleichzeitig sind die 32.768 kHz Oszillatorstufen in modernen MCUs bewusst auf minimalen Stromverbrauch optimiert. Der typische negative Widerstand liegt bei vielen Low-Power-MCUs nur bei 200–500 kΩ.

Die Lastkapazität ist die Gesamtkapazität, die der Quarz an seinen Anschlüssen „sieht“:

CL = (C1 × C2) / (C1 + C2) + Cstray

Wobei C1, C2 die externen Lastkondensatoren (falls vorhanden) und Cstray die parasitäre Kapazität (PCB-Leitungen, IC-Pins, typisch 1–5 pF) sind.

• Lastkapazität zu gering: Der Quarz erhält nicht genügend Energierückkopplung → Anschwingen kann versagen.
• Lastkapazität zu hoch: Die Schwingamplitude wird gedämpft, die Frequenz verschiebt sich nach unten, der Stromverbrauch steigt.

• Zu lange Leiterbahnen: Jeder Millimeter addiert parasitäre Kapazität (ca. 0,5–1 pF/cm).
• Digitale Signale in der Nähe: Taktleitungen oder SPI-Busse koppeln Störungen ein.
• Massefläche direkt unter dem Quarz: Erhöht die parasitäre Kapazität bei Multilayer-PCBs.
• Durchkontaktierungen im Quarz-Bereich: Wirken als Störungsantennen.
• Flussmittelrückstände und Feuchtigkeit: Verursachen Leckströme – verstärkt bei niedrigen Temperaturen.

Viele MCU-Oszillatorschaltungen benötigen einen hochohmigen Rückkopplungswiderstand (Rf) parallel zum Quarz (typisch 5–15 MΩ). Er biast die Inverterstufe in ihren linearen Arbeitsbereich. Einige MCUs haben diesen Widerstand intern (STM32, nRF52, ESP32), andere erfordern ihn extern (einige MSP430-Varianten, bestimmte 8-Bit-MCUs).

Der 32.768 kHz Stimmgabel-Quarz ist für eine maximale Ansteuerleistung von typisch 0,5–1,0 µW spezifiziert. Überschreitung führt zu Frequenzdrift, beschleunigter Alterung und im Extremfall zu mechanischem Bruch des Resonators.

In der Praxis tritt Überlastung auf, wenn kein Serienwiderstand (Rd) zur Begrenzung vorhanden ist.