DE3014955C2

DE3014955C2 -

Info

Publication number: DE3014955C2
Application number: DE3014955A
Authority: DE
Inventors: Robert Lowell Santa Clara Calif. Us Wilson
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1979-05-29
Filing date: 1980-04-18
Publication date: 1989-03-09
Also published as: JPS55162116A; DE3014955A1; GB2050648A; GB2050648B; US4317985A; JPS6316763B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Heizkammer gemäß dem Ober begriff des Anspruchs 1.

Temperaturstabilisierte Kristalloszillatoren enthalten typischer weise einen Quarzkristall, der auf einer wärmeleitenden Unterlage befestigt ist, die von der äußeren Umgebung thermisch isoliert ist, siehe z. B. US-PS 30 40 158. Die Temperatur der wärmeleitenden Unterlage wird mittels eines Temperaturfühlers, z. B. eines Ther mistors in der Nähe des Kristalls gemessen. Der Thermistor ist mit einer Heizungsregeleinrichtung verbunden, die die einem eben falls auf der Unterlage angebrachten Heizelement zugeführte Lei stung steuert. Bei einer proportional geregelten Heizkammer ver ändert die Regeleinrichtung den Heizstrom oder die relative Ein schaltzeit der Heizspannung entsprechend der Differenz zwischen der IST- und der SOLL-Temperatur der Heizkammer. Bei einer sol chen Anordnung ist die Temperatur des Kristalls relativ unemp findlich gegen Änderungen der Umgebungstemperatur.

Aus der DE-OS 25 28 887 ist es bekannt, in einer Heiz kammer mehrere Heizelemente vorzusehen, wobei das Ver hältnis der den Heizelementen zugeführten Heizleistungen so eingestellt wird, daß ein bestimmter Temperaturgradient über die Länge der Heizkammer auftritt.

Zur Beschreibung der Temperaturstabilisierung einer Heizkammer läßt sich mit Vorteil der Begriff "thermische Verstärkung" be nutzen. "Thermische Verstärkung" ist hier definiert als das Ver hältnis der Änderung der Außentemperatur zur Änderung einer Re ferenztemperatur, z. B. der des Quarzkristalls oder des Tempera turfühlers. Wie oben bereits angedeutet wurde, kann die ther mische 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 ther mische Verstärkung zwischen Kristall und äußere Umgebung kleiner ist als die zwischen Temperaturfühler und äußere Umgebung, auch wenn Kristall und Temperaturfühler sehr nahe beieinander montiert sind. Es hat sich außerdem herausgestellt, daß verschiedene Stellen auf der wärmeleitfähigen Unterlage signifikant unterschiedliche thermische Verstärkungen aufweisen. Um die gewünschte hohe ther mische Verstärkung zwischen Kristall und äußerer Umgebung zu er halten, hat sich als übliche Praxis herausgebildet, entweder den Kristall oder den Temperaturfühler oder das Heizelement solange hin und her zu bewegen, bis eine hohe thermische Verstärkung er reicht ist.

Die thermische Verstärkungen auf verschiedenen Plätzen auf der wärmeleitfähigen Unterlage variieren außerdem auch mit deren ther mischer 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 ther mischen Verstärkung zwischen Kristall und äußere Umgebung wirft große Schwierigkeiten beim Entwurf einer Heizkammer auf, insbe sondere 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 gestellte Aufgabe wird mit Hilfe einer Heizkammer mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

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 zeigt

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

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

Fig. 3 ein detailliertes Schaltbild der Temperaturregeleinrich tung in Fig. 1.

Fig. 1 zeigt das allgemeine Schema einer Heizkammer für einen Oszillatorkristall, 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 Tempe raturregeleinrichtung 45 weist einen Temperaturfühler 50 auf, der an einer ersten Stelle auf der Unterlage 20 befestigt ist. Die 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 Regelschal tung 80 verbunden, die entsprechend der mittels des Temperatur fühlers 50 gemessenen Temperatur als IST-Signal die den Heiz elementen 60 und 70 zugeführte Leistung regelt. Die Regelschal tung 80 ändert die Heizströme entsprechend der Differenz zwischen der gemessenen IST- und der SOLL-Temperatur. Die SOLL-Temperatur beträgt vorzugsweise etwa 80°C. 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.

Fig. 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 R 1 dargestellt, dessen Wert etwa 20°C/Watt beträgt. Der thermische Widerstand zwischen dem Temperaturfühler 50 und der äußeren Um gebung 30 ist durch einen Widerstand R 2 dargestellt, der die gleiche Größenordnung wie der Widerstand R 1 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 R 3, R 4 und R 5 dargestellt. T _A is die Umgebungs temperatur der äußeren Umgebung 30, T _C ist die Temperatur des Kristalls 10, T _S 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 T _S 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.

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 R 4 und R 5 die Brücke zum Abgleich bringen, d. h. daß zwischen dem Temperatur fühler 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 70 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 Heiz leistungen verschieben. Dadurch werden auch die relativen Werte der thermischen Widerstände R 4 und R 5 im oben beschriebenen Modell verändert.

Durch Variation des Verhältnisses zwischen den beiden Heiz leistungen läßt sich mit der Ersatzheizquelle auch die Linie 90 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 zwsichen den Heizleistungen besteht da rin, daß das temperaturempfindliche Signal vom Kristall über wacht wird und seine Änderung in Abhängigkeit von der Änderung der Außentemperatur beobachtet wird. So könnte z. B. die Fre quenz des Quarzkristalls 10 bei Änderung der Außentemperatur beobachtet werden. Durch Ausprobieren verschiedener Heizleistungs verhältnisse kann ein optimaler Wert ausgewählt werden.

Entsprechend dem elektrischen Modell sollte die Lage der Ersatz heizquelle 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.

Fig. 3 zeigt ein detailliertes Schaltbild der Temperaturregel einrichtung 45 in Fig. 1. Der Temperaturfühler 50 ist ein Ther mistor, dessen Widerstand sich mit der Temperatur ändert. Ein Widerstand R 10 ist gleich dem Widerstand des Thermistors 50 bei der SOLL-Temperatur, derart, daß die Spannung V ₁₀ bei der SOLL- Temperatur etwa 5 V beträgt. Widerstände R 12 und R 14 sind gleich groß, wodurch die Spannung V ₁₂ auf 5 V gesetzt wird. Ein Differenz verstärker 100 arbeitet daher im stabilen Betrieb in seinem linea ren Bereich, wenn die Temperatur des Temperaturfühlers 50 nahe der SOLL-Temperatur ist. Die den Widerständen R 10 und R 12 zuge führte Spannung wird mittels einer Spannungsregelschaltung 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 Temperatur der äußeren Umgebung 30 zu einem Absinken des Widerstandes des Thermistors 50. Dadurch sinkt die Spannung V ₁₀,wodurch der Differenzverstärker 100 dem Heiztransistor 70 einen geringeren Basisstrom zuführt. Im Ergebnis wird dadurch die im Heiztransistor 70 umgesetzte Leistung reduziert. In ähnlicher Weise führt ein Sinken der Temperatur der äußeren Umgebung 30 zu einem Anstieg der im Heiztransistor 70 umgesetzten Leistung.

Ein Widerstand R 16 hat etwa 0,5 Ohm. Ein Strom i fließt von einer Spannungsquelle V _CC durch die Heiztransistoren 60 und 70 und den Widerstand R 16. Die Spannung V ₁₄ 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 Heiz leistungen eine Funktion des Verhältnisses der Spannungsabfälle an ihnen. Im Heiztransistor 60 umgesetzte Leistung ist daher proportional zur Differenz zwischen den Spannungen V _CC und V ₁₆. Die im Heiztransistor 70 umgesetzte Leistung ist proportional zur Differenz zwischen den Spannungen V ₁₆ und V ₁₄.

Ein Differenzverstärker 110 ist so geschaltet, daß er eine Span nung V ₁₈ gleich der Spannung V ₁₆ macht. Es läßt sich somit zei gen, daß das Verhältnis der Heizleistungen der Heiztransistoren 60 und 70 eine Funktion des Verhältnisses von Widerständen R 18 und R 20 ist. Durch Veränderung des Widerstandes von R 18 oder R 20 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 ₁₄ proportional zum Strom durch die Heiz transistoren. Der Differenzverstärker 120 ist so mit dem Wider stand R 16 verbunden, daß er die Spannung V ₁₄ erfaßt und Strom aus der Basis des Heiztransistors 70 ableitet, wenn die Spannung V ₁₄ einen Wert überschreitet, der durch eine Referenzspannung V _R und einen Spannungsteiler aus Widerständen R 22 und R 24 festge legt ist. Wenn der Strom durch den Widerstand R₁₆ auf einen Wert unterhalb eines vorgegebenen Grenzwertes abfällt, wird der Dif ferenzverstärker 120 von der Basis des Heiztransistors 70 durch eine Diode T ₁₀ abgekoppelt. Schließlich sind noch ein Kondensator C ₁₀ und ein Widerstand R 26 als Rückkopplungszweig zwischen den Heiztransistor 70 und den Differenzverstärker 100 geschaltet, damit eine Wechselstromstabilisierung erreicht wird.

Claims

1. Heizkammer für ein auf konstanter Temperatur zu haltendes Bauelement, insbesondere für einen Kristalloszillator, mit einer wärmeleitenden Unterlage, einem mit der Unterlage verbundenen Temperaturfühler sowie einer mit der Unterlage verbundenen Heizeinrichtung, dadurch ge kennzeichnet, daß die Heizeinrichtung mindestens zwei an verschiedenen Stellen der Unterlage (20) befestigte Heizelemente (60, 70) umfaßt und daß das Verhältnis der den Heizelementen (60, 70) zugeführten Heizleistungen so eingestellt ist, daß die zu stabilisierende Temperatur (T _C) des Bauelements (10) und die Temperatur (T _S) des Fühlers (50) im wesentlichen gleich sind.

2. Heizkammer nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die durch Superposition der Wirkungen der einzelnen Heizelemente (60, 70) entstehende virtuelle Ersatzheizquelle gleich weit von dem Kristall (10) und dem Fühler (50) entfernt ist.

3. Heizkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Heizelemente (60, 70) auf einer Geraden parallel zu der Geraden durch den Fühler (50) und das Bauelement (10) angeordnet sind.

4. Heizkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitende Unterlage (20) thermisch von der äußeren Umgebung der Heizkammer isoliert ist.