DE3014955A1

DE3014955A1 - Temperaturstabilisierte heizkammer, insbesondere fuer einen kristalloszillator

Info

Publication number: DE3014955A1
Application number: DE19803014955
Authority: DE
Inventors: Robert Lowell Wilson
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1979-05-29
Filing date: 1980-04-18
Publication date: 1980-12-11
Also published as: JPS55162116A; US4317985A; GB2050648B; JPS6316763B2; DE3014955C2; GB2050648A

Description

Int. Az.: Case 1352 * *'. 7. März 1980

Hewlett-Packard Company

TEMPERATURSTABILISIERTE HEIZKAMMER, INSBESONDERE FOR EINEN KRISTALLOSZILLATOR

Temperaturstabilisierte Kristal!oszillatoren enthalten typischerweise einen Quarzkristall, der auf einer wärmeleitenden Unterlage befestigt ist, die von der äußeren Umgebung thermisch isoliert ist, siehe z.B. US-PS 3 040 158. Die Temperatur der wärmeleitenden Unterlage wird mittels eines Temperaturfühlers, zJB. eines Thermistors in der Nähe des Kristalls gemessen. Der Thermistor ist mit einer Heizungsregeleinrichtung verbunden, die die einem ebenfalls auf der Unterlage angebrachten Heizelement zugeführte Leistung steuert. Bei einer proportional geregelten Heizkammer ver-

•10 ändert die Regeleinrichtung den Heizstrom oder die relative Einschaltzeit der Heizspannung entsprechend der Differenz zwischen der IST- und der SOLL-Temperatur der Heizkammer. Bei einer solchen Anordnung ist die Temperatur des Kristalls relativ unempfindlich gegen Änderungen der Umgebungstemperatur.

Zur Beschreibung der Temperaturstabilisierung einer Heizkammer läßt sich mit Vorteil der Begriff "thermische Verstärkung" benutzen. "Thermische Verstärkung" ist hier definiert als das Verhältnis der Änderung der Außentemperatur zur Änderung einer Referenztemperatur, z.B. der des Quarzkristalls oder des Temperaturfühlers. Wie oben bereits angedeutet wurde, kann die thermische Verstärkung genau an der Position des Temperaturfühlers sehr hoch gemacht werden, indem die Verstärkung der negativen Rückkopplungsschleife der Temperaturregeleinrichtung sehr hoch gemacht wird. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die thermische Verstärkung zwischen Kristall und äußere Umgebung kleiner ist als die zwischen Temperaturfühler und äußere Umgebung, auch wenn Kristall und Temperaturfühler sehr nahe beieinander montiert

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sind. Es hat sich außerdem herausgestellt, daß verschiedene Stellen auf der wärmeleitfähigen Unterlage signifikant unterschiedliche thermische Verstärkungen aufweisen. Um die gewünschte hohe thermische Verstärkung zwischen Kristall und äußerer Umgebung zu erhalten, hat sich als übliche Praxis herausgebildet, entweder den Kristall oder den Temperaturfühler oder das Heizelement so lange hin und her zu bewegen, bis eine hohe thermische Verstärkung erreicht ist.

Die thermischen Verstärkungen auf verschiedenen Plätzen auf der wärmeleitfähigen Unterlage variieren außerdem auch mit deren thermischer Geometrie. Das führt zu einer Änderung der thermischen Verstärkung an einem bestimmten Platz auf der wärmeleitfähigen Unterlage, wenn z.B. ein kleines Loch in diese hinein gebohrt wird, ein Teil der Unterlage abgefräst wird oder wenn ein neues Bauteil auf ihr befestigt wird. Eine Änderung der thermischen Geometrie der Heizkammer kann dazu führen, daß der Kristall oder ein Regelelement an einem anderen Platz befestigt werden muß.

Diese empirische Ortsbestimmung zur Erzielung einer hohen thermischen Verstärkung zwischen Kristall und äußere Umgebung wirft große Schwierigkeiten beim Entwurf einer Heizkammer auf, insbesondere da die empirische Ortsbestimmung jedesmal wiederholt werden muß, wenn die thermische Geometrie der wärmeleitfähigen Unterlage verändert wird.

Der Erfindung gemäß Anspruch 1 liegt die Aufgabe zugrunde, eine Heizkammer, insbesondere für ein Kristalloszillator zu schaffen, bei der mit einfachen Mitteln eine hohe thermische Verstärkung zwischen Kristall und äußere Umgebung erreicht werden kann.

Die Erfindung ermöglicht die Temperaturregelung einer Heizkammer, die ein temperaturempfindliches Element, z.B.einen Kristall ent-

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hält, der auf einer wärmeleitfähigen Unterlage montiert ist. Die Temperatur der wärmeleitfähigen Unterlage wird an einer ersten Stelle gemessen. Eine Regeleinrichtung variiert die Leistungszufuhr zu einem ersten und einem zweiten Heizelement, die ebenfalls auf der wärmeleitfähigen Unterlage befestigt sind, und zwar entsprechend der gemessenen Temperatur. Die Regeleinrichtung ist dabei so eingerichtet, daß das Verhältnis zwischen den den beiden Heizelementen zugeführten Leistungen verstellbar ist. Durch Einstellung dieses Leistungsverhältnisses kann die thermische Verstärkung zwischen dem temperaturempfindlichen Element und der äußeren Umgebung vergrößert werden.

Vorteilhafte Ausführungsformen bzw. Weiterbildung der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen

Figur 1 schematisch eine Heizkammer für einen Oszillatorkristall, die zwei Heizelemente aufweist;

Figur 2 schematisch ein elektrisches Modell einer Heizkammer mit einem einzigen Heizelement; und

Figur 3 ein detailliertes Schaltbild der Temperaturregeleinrichtung in Figur 1.

Figur 1 zeigt das allgemeine Schema einer Heizkammer für einen . Oszi11atorkristall, die zwei Heizelemente 60 und 70 aufweist. Ein temperaturempfindlicher Kristall 10 ist auf einer wärmeleitenden Unterlage 20 befestigt, die von einer äußeren Umgebung 30 mittels einer Schaumstoffisolation 40 thermisch isoliert ist. Eine Temperaturregeleinrichtung 45 weist einen Temperaturfühler 50 auf, der an einer ersten Stelle auf der Unterlage 20 befestigt ist. Die

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Heizelemente 60 und 70 sind an einer zweiten und einer dritten Stelle auf der Unterlage 20 befestigt. Der Temperaturfühler 50 und die beiden Heizelemente 60 und 70 sind mit einer Regelschaltung 80 verbunden, die entsprechend der mittels des Temperaturfühlers 50 gemessenen Temperatur als IST-Signal die den Heizelementen 60 und 70 zugeführte Leistung regelt. Die Regelschaltung 80 ändert die Heizströme entsprechend der Differenz zwischen der gemessenen IST- und der SOLL-Temperatur. Die SOLL-Temperatur beträgt vorzugsweise etwa 8O⁰C. Im vorliegenden Beispiel wurde empirisch eine Linie 90 ermittelt, die durch den Temperaturfühler 50 geht und auf der die thermische Verstärkung gleich und hoch ist. Es ist wünschenswert, daß der Quarzkristall 10 auf dieser Linie angeordnet ist.

Figur 2 ist ein elektrisches Modell einer Heizkammer mit einem einzelnen Heizelement. Die thermische Leitfähigkeit zwischen dem Kristall 10 und der äußeren Umgebung 30 ist als Widerstand R1 dargestellt, dessen Wert etwa 20°C/Watt beträgt. Der thermische Widerstand zwischen dem Temperaturfühler 50 und der äußeren Umgebung 30 ist durch einen Widerstand R2 dargestellt, der die gleiche Größenordnung wie der Widerstand R1 hat. Die thermischen Widerstände zwischen dem Temperaturfühler 50, dem Kristall 10 und dem Heizelement 60 sind wegen der gemeinsamen Befestigung auf der wärmeleitfähigen Unterlage 20 sehr klein. Sie sind durch die Widerstände R3, R4 und R5 dargestellt. T. ist die Umgebungstemperatur der äußeren Umgebung 30, T_c ist die Temperatur des Kristalls 10, Τς ist die Temperatur des Temperaturfühlers 50 und T_H ist die Temperatur des Heizelementes 60. Mittels dieses einfachen Modells läßt sich vorhersagen, daß sich bei richtig angeordneten Komponenten eine Gleichgewichtsbedingung einstellen läßt, bei der die Temperatur Τς gleich der Temperatur T_c ist.

Wenn diese Bedingung erreicht ist, ist die thermische'Verstärkung für den Kristall 10 gleich der für den Temperaturfühler 50.

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Außerdem läßt sich mittels dieses Modells vorhersagen, daß eine • Linie 90 gleicher und hoher thermischer Verstärkung existiert, die Punkte enthält, bei denen passende Werte von R4 und R5 die Brücke zum Abgleich bringen, d.h. daß zwischen dem Temperaturfühler 50 und dem Kristall 10 keine Wärme übertragen wird.

Erfindungsgemäß werden die Komponenten auf der Unterlage 20 nicht verschoben, sondern es werden zwei Heizelemente 60 und benutzt, wobei das Verhältnis der diesen zugeführten Leistungen einstellbar ist. Geht man vom Überlagerungsprinzip aus, läßt sich eine virtuelle Ersatzheizquelle vorstellen, die auf einer Linie zwischen den beiden Heizelementen 60 und 70 liegt. Die Lage der Ersatzheizquelle auf dieser Linie ist eine Funktion des Verhältnisses der beiden Heizleistungen. Unter Benutzung dieser Analogie läßt sich die Lage der Ersatzheizquelle durch entsprechende Einstellung des Verhältnisses der beiden Heizleistungen verschieben. Dadurch werden auch die relativen Werte der thermischen Widerstände R4 und R5 im oben beschriebenen Modell verändert.

Durch Variation des Verhältnisses zwischen den beiden Heizleistungen läßt sich mit der Ersatzheizquelle auch die Linie derart verschieben, daß sie durch den Kristall 10 geht. Die Temperaturen beim Temperaturfühler 50 und beim Kristall 10 können daher gleichgemacht werden, so daß für den Kristall eine maximale thermische Verstärkung erreicht wird. In der Praxis ist es allerdings schwierig, die Temperatur des Kristalls 10 selbst zu bestimmen. Eine Möglichkeit der Bestimmung des passenden Verhältnisses zwischen den Heizleistungen besteht darin, daß das temperaturempfindliche Signal vom Kristall überwacht wird und seine Änderung in Abhängigkeit von.der Änderung der Außentemperatur beobachtet wird. So könnte z.B. die Frequenz des Quarzkristalls 10 bei Änderung der Außentemperatur beobachtet werden. Durch Ausprobieren verschiedener Heizleistungs-

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Verhältnisse kann ein optimaler Wert ausgewählt werden.

Entsprechend dem elektrischen Modell sollte die Lage der Ersatzheizquelle ungefähr gleich weit vom Temperaturfühler 50 und vom Kristall 10 entfernt sein. Um eine wirksamere Einstellbarkeit der Position der Ersatzheizquelle zu gewährleisten, sollten die Heizelemente 60 und 70 auf einer Geraden angeordnet sein, die parallel zu der Geraden durch den Temperaturfühler 50 und den Kristall 10 ist.

Figur 3 zeigt ein detailliertes Schaltbild der Temperaturregel einrichtung 45 in Figur 1. Der Temperaturfühler 50 ist ein Thermistor, dessen Widerstand sich mit der Temperatur ändert. Ein Widerstand R10 ist gleich dem Widerstand des Thermistors 50 bei der SOLL-Temperatur, derart, daß die Spannung V.q bei der SOLL-Temperatur etwa 5 V beträgt. Widerstände R12 und R14 sind gleich groß, wodurch die Spannung V₁₂ auf 5 V gesetzt wird. Ein Differenzverstärker 100 arbeitet daher im stabilen Betrieb in seinem linearen Bereich, wenn die Temperatur des Temperaturfühlers 50 nahe der SOLL-Temperatur ist. Die den Widerständen R10 und R12 zugeführte Spannung wird mittels einer Spannungsregel schaltung 105 genau auf 10 V Referenzspannung geregelt.

Die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 100 wird der Basis eines Heiztransistors 70 zugeführt. Im Betrieb führt ein Anstieg der äußeren Umgebung 30 zu einem Absinken des Widerstandes des Thermistors 50. Dadurch sinkt die Spannung V₁₀, wodurch der Differenzverstärker 100 dem Heiztransistor 70 einen geringeren

B. sisstrom zuführt. Im Ergebnis wird dadurch die im Heiztransistor 7C umgesetzte Leistung reduziert. In ähnlicher Weise führt ein Sinken der Temperatur der äußeren Umgebung 30 zu einem Anstieg der im Heiztransistor 70 umgesetzten Leistung.

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Ein Widerstand R16 hat etwa 0,5 Ohm. Ein Strom i fließt von einer Spannungsquelle Vq« durch die Heiztransistoren 60 und 70 und den Widerstand R16. Die Spannung V₁₄ ist daher eine Funktion des Stromes i. Da durch beide Transistoren 60 und 70 der gleiche Strom fließt, ist das Verhältnis der in ihnen umgesetzten Heizleistungen eine Funktion des Verhältnisses der Spannungsabfalle an ihnen. Im Heiztransistor 60 umgesetzte Leistung ist daher proportional zur Differenz zwischen den Spannungen Vqq und V,g. Die im Heiztransistor 70 umgesetzte Leistung ist proportional zur Differenz zwischen den Spannungen V^ und V^.

Ein Differenzverstärker 110 ist so geschaltet, daß er eine Spannung V«g gleich der Spannung V^ macht. Es läßt sich somit zeigen, daß das Verhältnis der Heizleistungen der Heiztransistoren 60 und 70 eine Funktion des Verhältnisses von Widerständen R18 und R20 ist. Durch Veränderung des Widerstandes von R18 oder R20 läßt sich das Heizleistungsverhältnis wie gewünscht einstellen.

Ein Differenzverstärker 120 begrenzt die in den Heiztransistoren 60 und 70 umsetzbaren Leistungen beim Einschalten. Insbesondere ist die Spannung V,^ proportional'zum Strom durch die Heiztransistoren. Der Differenzverstärker 120 ist so mit dem Widerstand R16 verbunden, daß er die Spannung V., erfaßt und Strom aus der Basis des Heiztransistors 70 ableitet, wenn die Spannung V.4 einen Wert überschreitet,· der durch eine Referenzspannung V_R und einen Spannungsteiler aus Widerständen R22 und R24 festgelegt ist. Wenn der Strom durch den Widerstand R,_ß auf einen Wert unterhalb eines vorgegebenen Grenzwertes abfällt, wird der Differenzverstärker 120 von der Basis des Heiztransistors 70 durch eine Diode T^₀ abgekoppelt. Schließlich sind noch ein Kondensator Cjg und ein Widerstand R26 als Rückkopplungszweig zwischen den Heiztransistor 70 und den Differenzverstärker 100 geschaltet, damit eine Wechselstromstabilisierung erreicht wird.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1J Temperaturstabilisierte Heizkammer, insbesondere für einen Kristalloszillator, mit einer wärmeleitenden Unterlage für ein auf konstanter Temperatur zu haltendes.Bauelement, einem mit der Unterlage verbundenen Temperaturfühler sowie einer mit der Unterlage verbundenen Heizeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizein- . richtung aus mindestens zwei an verschiedenen Stellen der Grundplatte (20) befestigten Heizelementen (60, 70) besteht, wobei das Verhältnis der den Heizelementen zugeführten Heizleistungen einstellbar ist.
2. Heizkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Heizleistungen so eingestellt ist, daß die zu stabilisierende Temperatur des Bauelementes (10) und die Temperatur des Temperaturfühlers (50) im wesentlichen gleich sind.
3. Heizkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitende Unterlage (20) thermisch von der äußeren Umgebung der Heizkammer isoliert ist.

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