DD248689A1 - Verfahren und anordnung zur temperaturstabilisierung fuer frequenzumsetzer - Google Patents

Abstract

Bestimmt zum Stabilisieren der Temperatur eines Schwingquarzes in einem Frequenzumsetzer unter Anwendung keramischer Kaltleiter. Ziel und Aufgabe sind es eine Temperaturstabilisierung fuer Frequenzumsetzer zu schaffen, die bei einfachstem Aufbau und geringstem Kostenaufwand eine hohe Temperaturkonstanz gewaehrleistet und zu diesem Zweck ohne alle materialintensiven mechanischen Teile sowie zusaetzlichen Aufwand verursachenden Steuer- und Regelmittel arbeitet und bei der durch eine neue funktionelle Verschmelzung im Prinzip bekannter Mittel bei einer Bezugstemperatur von plus fuenfundsechzig Grad Celsius, diese Bezugstemperatur im Bereich einer Umgebungstemperatur von minus fuenfzig bis plus fuenfundsechzig Grad Celsius konstant gehalten wird. Die Loesung besteht darin, dass ein Bauelement ein- oder mehrflaechig mit fuer eine Bezugstemperatur von plus fuenfundsechzig Grad Celsius dotierter, an sich bekannter Bariumtitanatkeramik in Waermekontaktierung gebracht wird und in dieser Waermekontaktierung mittels Waermeleitkitt gehaltert mit einer Schaumstoffumhuellung versehen auf eine Leiterplatte oder dgl. angeordnet wird und das die Bariumtitanatkeramik direkt und konstant aus dem Netzteil mit Gleich- oder Wechselstrom gespeist wird.

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stabilisieren der Temperatur eines Schwingquarzes in einem Frequenzumsetzer unter Verwendung keramischer Kaltleiter und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die Qualität von Frequenzumsetzern auf der Basis von Quarzen ist von der thermischen Stabilisierung bzw. Thermostatisierung abhängig. Um eine solche Stabilisierung zu erreichen sind eine ganze Anzahl mehr oder weniger brauchbare Lösungen bekannt geworden. So ist z. B. aus der CH-PS 435 825 ein Thermostat bekannt, bei dem ein Kaltleiter mittelbar oder unmittelbar mit dem elektrisch aktiven Teil eines Bauelements in möglichst engem Wärmekontakt steht. Dabei sind Kaltleiter und Bauelement im Gehäuse des Bauelements untergebracht. Der mittelbare Wärmekontakt zwischen einem flächenhaft ausgebildeten Bauelement oder einer Gruppe von Schaltungsbestandteilen und einem Widerstandselement wird bei diesem Thermostat mit Hilfe eines kleinen metallischen Blockes realisiert, auf dem das Widerstandselement und der Schaltungsbestandteil angeordnet sind. Unmittelbaren Wärmekontakt erreicht man durch die Anordnung eines oder mehrerer Transistorsysteme auf einem parallel epipedischen Block aus Kaltleitermaterial.

Bei diesen Thermostaten ergibt sich jedoch aus der möglichst perfekten thermischen Kontaktierung des Kaltleiters mit den elektrisch aktiven Teilen eines Bauelementes zugleich auch die Gefahr einer elektrischen Kontaktierung, also einer galvanischen Verbindung von Bauelement und Kaltleiter. Um das Risiko des Auftretens einer derartigen galvanischen Verbindung zu verringern, muß nun bei diesen Thermostaten eine dünne elektrisch isolierende aber gut wärmeleitende Scheibe, beispielsweise aus Berylliumoxyd, zwischen Kaltleiter und Bauelement gelegt werden, was jedoch mit zusätzlichem Aufwand verbunden ist. Trotzdem ist ein derartiger Thermostat für die Anwendung auf dem Gebiet der Nachrichtentechnik wenig geeignet, da sich durch Verwendung von Berylliumoxydscheiben keine vollkommene Isolation von Kaltleiter und Bauelement erreichen läßt. Abgesehen davon ist die Güte der Isolation auch Alterungserscheinungen unterworfen. Des weiteren handelt es sich bei diesen Thermostaten um spezielle, mit einem Einzelbauelement oder eine Baugruppe baulich vereinigte Thermostate. Die Zuordnung eines bestimmten Bauelementes zu einem bestimmten Thermostaten ist also in jedem Falle zwingend.

Aus dem US-Pt 3 414 704 ist ein Thermostat für elektronische Bauteile oder auch Schwingquarze bekannt, bei welchem aus einem hohlzylindrischen und einem scheibenförmigen Kaltleiterteil ein auf konstante Temperatur geregelter Hohlraum für das jeweilige Bauteil gebildet wird. Diesem Thermostat haftet jedoch der Nachteil an, daß die Kaltleiterteile infolge ihrer Geometrie nur mit großem Aufwand herstellbar sind.

Verbleibende Fugen zwischen den Kaltleiterteilen, die auf unvermeidbaren Fertigungstoleranzen beruhen, müssen zusätzlich mit Harz oder einem anderen geeigneten Material verschlossen werden, damit der auf konstanter Temperatur zu haltende Hohlraum dicht ist.

Es ist auch wie im US-Pt 3 028 473 beschrieben, hinreichend bekannt, Thermostate mit Gehäusen aus Kunststoff, die dementsprechend wärmeisolierend sind, zu versehen

Mit einer in der DE-AS 1 922 206 beschriebenen Lösung sollen die Mängel in der Weise überwunden werden, daß eine mit

Federlappen versehene Blechhülse auf das Gehäuse des Schwingquarzes aufgeschoben ist, daß das Thermostatengehäuse aus einer Kappe und einer Bodenplatte besteht, daß die Kappe an ihrer Innenseite rippenartige Vorsprünge aufweist und daß zu beiden Seiten des Schwingquarzgehäuses je ein Kaltleiter derart zugeordnet ist, daß er einerseits an den Federlappen der Blechhülse anliegt und andererseits von den rippenartigen Vorsprüngen der Kappe zentriert wird.

Da der Kaltwiderstand von Kaltleitern um mehrere Zehnerpotenzen kleiner als ihr Betriebswiderstand im steilen Kennlinienteil ist, beträgt der Einschaltstrom ein Vielfaches des Betriebsstromes. Für die Verwendung auf dem Gebiet der Nachrichtentechnik kann dies nachteilig sein, da die dort üblichen Stromversorgungsgeräte im allgemeinen nicht in der Lage sind, derartig hohe Einschaltströme zu liefern. Es ist daher, wie aus dem DE-Pt 1 922 199 bekannt, zweckmäßig, daß jedem Kaltleiter ein flächenhaft ausgebildeter Vorwiderstand zugeordnet ist und daß dieser Vorwiderstand auf einer der Seitenflächen des Kaltleiters angeordnet ist.

Einem in der DE-OS 2 036 931 beschriebenen Thermostaten, liegt die Aufgabe zugrunde, einen Thermostaten mit einem Kaltleiter als Temperaturfühler zu schaffen, der sich gegenüber den angeführten Kaltleiterthermostaten durch noch größere Regel- bzw. Temperaturgenauigkeit auszeichnet, wobei einfacher Aufbau und geringe Baugröße gewährleistet sind. Die Lösung besteht darin, daß der Thermostat einen .Heizwiderstand aufweist, der mit einer seiner Seitenflächen in gutem Wärmekontakt mit dem Gehäuse des Einzelbauelementes oder der Baugruppe steht oder eine Seitenwand eines Kammes bildet, in der das Einzelbauelement oder die Baugruppe untergebracht ist, daß mindestens ein Kaltleiter als Temperaturfühler vorgesehen ist, der mit dem Heizwiderstand elektrisch leitfähig verbunden ist, beispielsweise in Serie geschaltet ist, und daß der als Temperaturfühler dienende Kaltleiter vom Heizwiderstand getrennt so am Gehäuse des Thermostaten angeordnet ist, daß er Schwankungen der Umgebungstemperatur des Thermostaten erfaßt. Durch diese Lösung soll sich der Vorteil ergeben, daß auf einfache Weise eine Regelgröße in Form einer Widerstandsänderung gewonnen wird, mit der der durch den Heizwiderstand fließende Strom entsprechend der jeweiligen Umgebungstemperatur gesteuert wird. Dadurch werden Temperaturschwankungen des Heizwiderstandes ausgeglichen, die auf einer veränderten Wärmeabgabe an die Umgebung infolge von Schwankungen der Umgebungstemperatur beruhen. Der als Temperaturfühler dienende Kaltleiter trägt nur unwesentlich zur Beheizung der Thermostaten bei. Nach einer weiteren Lösung, die in der DE-OS 1 523 410 beschrieben ist, wird in einer Schaltung ein Transistor als Heizelement verwendet, wobei sich parallel zur Basis-Emitter-Strecke des Transistors ein nicht näher angegebener temperaturabhängiger Widerstand befindet. Zum Beispiel sind als derartige temperaturabhängige Widerstände Lichtleiter-Dioden verwendet worden, wie dies in der DE-AS 1 245 458 beschrieben ist. Es ist aber auch bekannt in den Kollektorkreis der Schaltung eine Zehnerdiode hinzuzufügen. In der US-PS 3 339 164 ist eine große Anzahl von Materialien angegeben, die einen temperaturabhängigen Widerstandsverlauf haben. Dabei ist auch das Vanadiumdioxyd als derartiges Material angegeben und nähere Einzelheiten über dieses Material seien der Zeitschrift „Phys. Rev. Jett" Bd. 3 (1959) S. 34 bis 36, zu entnehmen. Nun ist in der DE-AS 2 133 635 eine Vorrichtung zur Temperaturkonstanthaltung eines Körpers beschrieben, mit dem ein Transistor als Heizelement und eine Diode mit temperaturabhängigen Eigenschaften in gutem Wärmekontakt stehen, wobei die elektrischen Anschlüsse der Diode mit der Basis und dem Emitter des Transistors elektrisch verbunden sind, so daß die Emitter-Basis-Strecke mit der Diode elektrisch überbrückt ist und daß eine Diode aus Vanadiumdioxyd mit anomalem Sprung der elektrischen Leitfähigkeit vorgesehen ist, daß das Vanadiumdioxyd in Form einer dünnen Nadel ausgeführt ist und daß der Wärmekontakt durch Einbettung der Nadel in eine Wärmeleitpaste bewirkt ist. Das verwendete Vanadiumdioxyd ist mit Chrom dotiert. Mit dieser Dotierung der Substanz wird der Temperaturwert des Leitfähigkeitssprunges verändert, der bei Vanadiumdioxyd (VO₂) 65,5⁰C beträgt. Aus der DE-OS 3 315 883 ist ein Quarzoszillator für Geräte und Einrichtungen der elektrischen Nachrichten- und Meßtechnik, insbesondere für die Trägerversorgung von Richtfunkgeräten, bei dem der Temperaturdrift des die Oszillatorfrequenz bestimmenden Quarzkristall entgegenwirkende Mittel in Form von Thermistoren, gegebenenfalls in Verbindung mit an den Quarz angekoppelten steuerbaren Kapazitätsdioden, zur Anwendung kommen, bekannt. Das Wesen dieses Oszillators besteht darin, daß zur Korrektur der Oszillatorfrequenz im Bereich tiefer Temperaturen die Temperatur des Quarzes mittels wenigstens eines, geeigneten Kaltleiters dadurch stabilisiert wird, daß der an eine Spannungsquelle angeschlossene Kaltleiter mit dem Quarz in gut wärmeleitendem Kontakt steht.

Es ist aber auch schon bekannt bei einem Thermostat zur Temperaturkonstanthaltung sogenannte Kaltleiterbauelemente auf der Basis dotierten Bariumtitanats zu verwenden. Kaltleiter dieser Art haben in einem bestimmten Temperaturbereich eine starke Änderung ihres elektrischen Widerstandes. Die Steilheit des Anstieges des elektrischen Widerstandes ist ein Maß für die mit Kaltleitern erreichbare Temperaturkonstanz. Aufgrund seiner elektrischen Eigenschaften kann der Kaltleiter, wie in den bisherige^! Darlegungen aufgezeigt, außerdem auch als wä'rmeerzeugender Heizkörper eingesetzt werden Allen diesen bekannten Verfahren und Einrichtungen zur Temperaturstabilisierung ist eines gemeinsam, sie benötigen alle neben den Kaltleitern zusätzliche Temperaturfühler bzw. zusätzliche Steuer- und Heizmittel und damit einen erheblichen materiellen und arbeitsmäßigen Aufwand, der sich nicht nur kostenmäßig, sondern auch raum- und gewichtsmäßig negativ auswirkt.

Ziel der Erfindung

Es ist das Ziel der Erfindung, eine Temperaturstabilisierung für Frequenzumsetzer zu schaffen, die bei einfachstem Aufbau und geringstem Kostenaufwand eine hohe Temperaturkonstanz gewährleistet.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Temperaturstabilisierung für Frequenzumsetzer zu schaffen, bei der alle materialintensiven mechanischen Teile sowie zusätzlichen aufwandverursachenden Steuer- und Regelmittel nicht mehr erforderlich sind und bei der durch eine neue funktionell Verschmelzung im Prinzip bekannter Mittel, bei einer Bezugstemperatur von plus fünfundsechzig Grad Celsius, diese Bezugstemperatur im Bereich einer Umgebungstemperatur von minus fünfzig bis plus fünfundsechzig Grad Celsius konstant gehalten wird.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe besteht darin, daß ein in der Temperatur zu stabilisierendes Bauelement, ein- oder mehrflächig mit für eine Bezugstemperatur von plus fünfundsechzig Grad Celsius dotierter, an sich bekannter Bariumtitanatkeramik in Wärmekontaktierung gebracht wird und in dieser Wärmekontaktierung mittels handelsüblichem Wärmeleitkitt gehaltert, mit einer

Schaumstoffumhüllung versehen, auf einer Leiterplatte oder dgl. angeordnet wird und daß die Bariumtitanatkeramik direkt und konstant aus dem Netzteil mit Gleich- oder Wechselstrom gespeist wird.

Zur Durchführung des Verfahrens besteht eine weitere Lösung der Aufgabe in einer Anordnung, deren kennzeichnende Merkmale darin bestehen, daß eine Umhüllung als ein etwa quaderförmiger Körper ausgebildet ist, der mit einer oben offenen etwa quaderförmigen Aussparung so versehen ist, daß das in der Temperatur zu stabilisierende Bauelement mit der Bariumtitanatkeramik an den beiden großen Innenflächen etwa saugend anliegen und daß an den Schmalseiten des Bauelementes geringe Freiräume vorgesehen sind und daß die Anschlüsse für das Bauelement und für die Bariumtitanatkeramik durch den Boden der Umhüllung zur Leiterplatte oder dgl. geführt wird, während die Umhüllung von oben mit einem Deckel mit Paßstück verschlossen ist, wobei durch das Paßstück gleichzeitig die Arretierung des Bauelementes gegen axiale Verschiebung erfolgt und daß die Umhüllung und der Deckel aus einem geeigneten wärmedämmenden Schaumstoff hergestellt sind.

Ausführungsbeispiel

An Hand eines in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. in der Zeichnung bedeuten:

Fig. 1: Ein in seiner Temperatur zu stabilisierendes Bauelement mit einer durch Wärmeleitkitt daran gehalterten

Bariumtitanatkeramik

Fig. 2: Eine in Längsrichtung aufgeschnitten, dargestellte Umhüllung mit im Innenraum angeordnetem Bauelement mit daran gehalterter Bariumtitanatkeramik, auf einer Leiterplatte angeordnet dargestellt.

Fig. 3: Eine in Querrichtung aufgeschnittene Umhüllung mit im Innenraum angeordneten^ Bauelement. Fig. 4: Einen Deckel mit Paßstück für die Umhüllung.

Das in der Temperatur zu stabilisierende Bauelement 1 enthält einen Quarz, der nur innerhalb eines bestimmten Temperaturbereiches genau arbeitet. Um dies zu gewährleisten, das heißt eine konstante Temperatur von z. B. 65 ⁰C zu schaffen, wird das Bauelement 1 mit einer Bariumtitanatkeramik 2 in eine Flächenkontaktierung in der Weise gebracht, daß die als z. B. runde Scheibe ausgebildete Bariumtitanatkeramik 2 flach an der bzw. an einer Breitseite 3 des Bauelements 1 anliegt und mittels an sich bekannten, handelsüblichen Wärmeleitkitt 4 in dieser Flächenkontaktierung gehaltert wird. Zur weitgehenden Ausschaltung von Umwelteinflüssen auf das Bauelement 1 und die mit ihm durch den Wärmeleitkitt 4 verbundene Bariumtitanatkeramik 2, seien es mechanische Einflüsse, seien es klimatische Einflüsse, ist eine vorzugsweise aus einem geeigneten Schaumstoff hergestellte Umhüllung 5 vorgesehen. Die Umhüllung 5 ist als ein etwa quaderförmiger Körper ausgebildet, der mit einer nach oben hin offenen etwa quaderförmigen Aussparung 6 versehen ist. Das Bauelement 1 mit der daran mittels Wärmeleitkitt 4 gehalterten Bariumtitanatkeramik 2 ist mit der Aussparung 6 so angeordnet, daß es an den beiden großen Innenflächen 7 etwa saugend anliegt. Da heißt die Einheit Bauelement 1, Bariumtitanatkeramik 2, Wärmeleitkitt 4, soll ohne Schlupf in der Aussparung 6 angeordnet sein und satt an den beiden Innenflächen 7"anliegen, während an den Schmalseiten 8 des Bauelementes 1 geringe Freiräume 9 zur Ausbreitung der in der Aussparung 6 herrschenden Temperatur vorgesehen sind. Die Anschlüsse 10 für das Bauelement 1 und die beiden Anschlüsse 11 für die Bariumtitanatkeramik 2 sind durch den Boden 12derUmhüllung 5 zur Leiterplatte oder dgl. 13 geführt. Die Umhüllung 5 ist oben mit einem Deckel 14, mit einem Paßstück 15 verschlossen, wobei gleichzeitig die Arretierung des Bauelementes 1 gegen axiale Verschiebung erfolgt. Der Deckel 14 mit dem Paßstück 15 ist zweckmäßig aus dem gleichen geeigneten Schaumstoff hergestellt wie die Umhüllung 5. Die Anschlüsse 11 der Bariumtitanatkeramik 2 werden direkt, ohne alle Regelungsmittel, konstant an das Netzteil angeschlossen, so daß die Bariumtitanatkeramik 2 direkt mit Gleich- oder Wechselstrom von z. B. 24 Volt gespeist wird. Die Bariumtitanatkeramiken haben die Eigenschaft, daß sie beim Anlegen einer elektrischen Feldstärke sich auf eine, von der Werkstoffzusammensetzung und der Herstellungstechnologie abhängigen, konstanten Temperatur, die sogenannte Sprungtemperatur - auch Curie - oder Bezugstemperatur genannt - einstellen.

Die zur Erfindung benutzte Bariumtitanatkeramik 2 ist auf eine Bezugstemperatur von 65°C dotiert. Nach dem Anschluß der beiden Anschlüsse 11 an das Netzteil mit z. B. 24 Volt fließt ein gewisser Strom, so lange bis in der Bariumtitanatkeramik 2 und dem Bauelement 1 sowie dem Wärmeleitkitt 4 einschließlich der Freiräume 9 und in der Aussparung 6 der Umhüllung 5 schlechthin eine Temperatur von 65⁰C herrscht. Fängt^liese Temperatur von 65°C durch äußere Einflüsse, z. B. sehr niedrige Umgebungstemperatur, an nach unten abzuweichen, nimmt die Bariumtitanatkeramik 2 in ihrem Widerstandswert ab, so daß sofort ein höherer Strom fließt, wodurch die Temperatur der Bariumtitanatkeramik 2 wieder auf 65°C ansteigt, damit auch der Widerstand ansteigt und die Stromstärke auf die Ausgangsstärke zurückgeht. Da die Spannung konstant ist regelt sich das System selbst und hält auch bei Umwelttemperaturen zwischen minus 50°C und plus 60°C konstant die Bezugstemperatur von plus 65°C. Es ist, falls erforderlich auch möglich, für eine andere Sprungtemperatur z. B. plus 60⁰C dotierte Bariumtitanatkeramik 2 anzuwenden.

Claims (3)

1. Verfahren zur Temperaturstabilisierung für Frequenzumsetzer, dadurch gekennzeichnet, daß ein in der Temperatur zu stabilisierendes Bauelement (1), auf an sich bekannte Art, ein- oder mehrflächig, mit für eine Bezugstemperatur von plus fünfundsechzig Grad Celsius dotierter, im Prinzip bekannter Bariumtitanatkeramik (2) in Wärmekontaktierung gebracht wird und in dieser Wärmekontaktierung mittels handelsüblichen Wärmeleitkitt (4) gehaltert, mit einer Umhüllung (5) aus einem geeigneten Schaumstoff versehen auf einer Leiterplatte oder dgl. in im Prinzip bekannter Weise, angeordnet wird und daß die Bariumtitanatkeramik (2) direkt und konstant aus dem Netzteil mit Gleich- oder Wechselstrom gespeist wird.

2. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine Bezugstemperatur von plus sechzig Grad Celsius dotierte Bariumtitanatkeramik (2) angewendet wird.

3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Punkten 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Umhüllung (5) vorgesehen ist, die als etwa quaderförmiger Körper ausgebildet und mit einer oben offenen etwa quaderförmigen Aussparung (6) so versehen ist, daß das in der Temperatur zu stabilisierende Bauelement (1) mit der Bariumtitanatkeramik (2) an den beiden großen Innenflächen (7) etwa saugend anliegen und daß an den Schmalseiten (8) des Bauelementes (1) geringe Freiräume (9) vorgesehen sind und daß die Anschlüsse (10) für das Bauelement (1) und die Anschlüsse (11)-für die Bariumtitanatkeramik (2) durch den Boden (12) der Umhüllung (5) zur'Leiterplatte oder dgl. (13) geführt sind, während die Umhüllung (5) von oben mit einem Deckel (14) mit Paßstück (15) verschlossen ist, wobei durch das Paßstück (15) gleichzeitig die Arretierung des Bauelementes (1) gegen axiale Verschiebung erfolgt und daß die Umhüllung (5) und der Deckel (14) mit Paßstück (15) aus einem geeigneten wärmedämmenden Schaumstoff hergestellt sind.