DE969833C - Schaltungsanordnung zur Regelung der Temperatur von Schaltelementen - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit der Aufgabe, die Temperatur eines· Bauelementes in einer Schaltungsanordnung der elektrischen Nachrichtentechnik zu regeln und diese vorzugsweise innerhalb eines vorbestimmten zulässigen Änderungsbereiches zu halten, wenn die Umgebungstemperatur größere Schwankungen aufweist. Die Notwendigkeit zur Temperaturregelung besteht in besonderem Maße bei solchen Bauelementen, deren Größe die Resonanzfrequenz eines Schwingungskreises mitbestimmt. Bekannt sind sogenannte Thermostatanordnungen für die Temperaturregelung von piezoelektrischen Körpern, welche als Frequenznormalien dienen.

Bei bekannten Anordnungen dieser Art wurde im allgemeinen das Prinzip benutzt, die Temperatur eines Bauelementes durch selbsttätig gesteuerte Heizung konstant zu halten, wobei die Steuerung durch ein temperaturempfindliches Organ erfolgte, welches mit dem genannten Körper in guter ther- ao mischer Verbindung, vorzugsweise in wärmeleitender Verbindung, stand. Die Heizung wurde elektrisch durch ein mit dem Bauelement ebenfalls in Wärmekontakt stehendes Widerstandselement bewirkt; wenn als temperaturempfindliches Organ beispielsweise ein mit einer Bimetallkontaktfeder versehener Schalter dient, auf den die Wärme des in seiner Temperatur zu regelnden Bauelementes

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übertragen wird, so wird durch die Kontaktfeder der Heizstromkreis abwechselnd geschlossen und geöffnet. Das Verhältnis der Schließungszeiten zu den Öffnungszeiten ist dabei von den Wärmever-S lusten und damit bei sonst gleichbleibenden Bedingungen von der Umgebungstemperatur in dem Sinne abhängig, daß die Schwankungen der Umgebungstemperatur von dem Bauelement nun nur noch in einem verringerten Maße mitgemacht werden. Es sind sowohl Anordnungen bekannt, bei denen einzelne verhältnismäßig kleine Bauelemente, wie piezoelektrische Resonatoren, durch je einen zugeordneten Heizer mit temperaturempfindlichem Schalter geregelt wurden, wie auch solche Änordnungen, bei denen eine Mehrzahl kleiner, temperaturstabil zu haltender Bauelemente in einem größeren, manchmal mit einer wärmeverteilenden Flüssigkeit gefüllten, mit geregelter Heizung versehenen Raum untergebracht waren.

Bei den bekannten Anordnungen sind nach der Aufteilung der Heiz- und Regelorgane bzw. ihrer Zuordnung zu einzelnen oder einer Gruppe von mehreren temperaturstabil zu haltenden Bauelementen demnach zwei verschiedene Prinzipien zu unterscheiden, welche beide gewisse Nachteile aufweisen. Wird jedem einzelnen temperaturstabil zu haltenden Körper ein Heizelement und ein besonderes temperaturempfindliches Organ zugeordnet, so ist es nicht möglich, die so gebildete Einheit in dem vielfach erwünschten Maße-klein und raumsparend auszubilden. Dies ist aber in manchen Fällen von ausschlaggebender Bedeutung; ein Beispiel dafür bilden piezoelektrische Bauelemente für Hochfrequenz-Nachrichtenschaltungen, welche über möglichst kurze Leitungen mit den zugehörigen Röhrenstufen verbunden sein sollen. Wenn mehrere so gebildete Einheiten in einer Schaltung vorhanden sind, wird der Aufwand eines besonderen Temperaturschalters für jede Einheit durch die schon erwähnte Möglichkeit des Sammelthermostaten wohl vermieden, jedoch wird die hochfrequenztechnisch einwandfreie Ausbildung der Leitungsführung noch schwieriger. Auch wird die Wärmekapazität der Gesamtanordnung wesentlich erhöht, was sich auf die nach dem Einschalten sich ergebenden Einlaufzeiten ungünstig auswirkt.

Die Erfindung erlaubt es, diese und andere Nachteile bekannter Anordnungen zu überwinden und bei kleinstem Material- und Raumbedarf für eine thermisch isolierte, temperaturstabil zu haltende Einheit diese von dem störenden Einfluß des temperaturempfindlichen Organs zu befreien und bei Verwendung mehrerer temperaturstabil zu haltender Körper den Aufwand einer entsprechenden Mehrzahl von temperaturempnndlichen Organen wie auch die Verwendung von sperrigen Sammelthermostaten zu vermeiden.

In einer ^cchaltungsanordnung der elektrischen Nachrichtentechnik mit mindestens einem Bauelement, beispielsweise einem piezoelektrischen Kristall, dessen Temperatur durch mittels eines temperaturempfindlichen Organs selbsttätig gesteuerte Heizung geregelt wird, mit wenigstens je einem Heizwiderstand für je ein Bauelement und für das temperaturempfindliche Organ, welche in Reihen- oder Parallelschaltung miteinander verbunden sind und von einem durch das temperaturempfindliche Organ- ein und ausgeschalteten Heizstromkreis gespeist werden, sind erfindungsgemäß das Bauelement bzw. die Bauelemente und das temperaturempfindliche Organ in konstruktiv voneinander getrennte und miteinander nicht oder doch nicht in wesentlichem Maße in thermischer Verbindung stehende Fassungskörper von einander angeglichenem Wärmeverhalten eingefügt.

Ist die Temperatur nur eines einzigen Fassungskörpers für ein Bauelement zu regeln, so besteht der wesentliche Vorteil der Verwendung eines mit dem temperaturempfindlichen Organ thermisch verknüpften Vergleichskörpers darin, daß das von dem Temperaturfühler befreite Bauelement nun seinem eigentlichen Endzweck, beispielsweise als piezoelektrischer Resonator, besser dienen kann. Vor allem kann es wesentlich kleiner ausgebildet sein und mindestens zwei Stromzuleitungen, die vorher für den Thermofühler bzw. -schalter nötig waren, weniger besitzen. Wenn mehrere Bauelemente, beispielsweise mehrerepiezoelektrische Schaltelemente, in einer Schaltungseinheit vorhanden sind, welche als solche nacheinander oder gleichzeitig in Betrieb go sind, ergeben sich weitere Vorteile; die Fassungskörper dieser Bauelemente können nämlich nun durch einen von der Temperatur eines gemeinsamen Phantoms gesteuerten Thermoschalter an die gemeinsame Heizstromquelle an- und von ihr abgeschaltet werden, ohne daß die erwähnten Nachteile von Sammelthermostaten eintreten. Jedes Bauelement kann dabei innerhalb des Gerätes den seiner Aufgabe entsprechenden günstigsten Platz finden, und die thermische Trägheit der Anordnung braucht nicht durch große zusätzliche Massen erhöht zu werden. In der Zeichnung sind in

Abb. ι und 2 zwei Anordnungen zur Temperaturregelung nach der Erfindung dargestellt;

Abb. 3 zeigt eine Anordnung zur Temperaturregelung eines piezoelektrischen Schaltelementes mittels eines Phantomkörpers als Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes.

In Abb. ι ist 2 ein mittels des angedeuteten Heizwiderstandes aus der Stromquelle 5 geheizter Fas- no sungskörper, 4 ein über einen ihm zugeordneten Heizwiderstand durch den gleichen Strom geheizter, zu 2 ähnlich ausgebildeter Vergleichskörper. Beide sollen im wesentlichen den gleichen Schwankungen der Umgebungstemperatur ausgesetzt sein. Im Heizstromkreis liegt der Thermoschalter 7, der durch die von der Temperatur abhängigen Längenänderungen des nur bei α mit 4 fest verbundenen Stabes 6 geöffnet und geschlossen wird. Im dargestellten Beispiel sind die 'elektrischen Heizwider- tao stände des Fassungskörpers und des Vergledchs-.cörpers miteinander in Reihe geschaltet; selbstverständlich ist auch die Parallelschaltung entweder direkt oder über Vorschaltwiderstände möglich, welche zum Abgleich der Heizwirkung dienen können. Bei Reihenschaltung der Heizwiderstände

können entsprechend Parallelwiderstände für diesen Abgleich verwendet werden. Durch den Schalter 7 werden in beiden Fällen die in einem gemeinsamen Stromkreis bzw. in Zweigen eines gemeinsamen Stromkreises liegenden Heizwiderstände des Fassungskörpers 2 und des Vergleichskörpers 4 zusammen ein- und ausgeschaltet.

Erhöhte Vorteile ergeben sich, wenn mehrere Bauelemente in der dargestellten Art mit einem thermischen Vergleichskörper zusammenarbeiten. Ein solches Beispiel ist schematisch in Abb. 2 dargestellt. Einander entsprechende Teile sind hier mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in Abb. 1. Aus Abb. 2 ist ersichtlich, daß die Fassungskörper keineswegs untereinander und mit dem Vergleichskörper gleiche Größe bzw. Masse aufweisen müssen. Worauf es ankommt, ist der im wesentlichen gleichartige Gang der Temperatur in Abhängigkeit von der gemeinsamen Umgebungstemperatur und der ebenfalls gemeinsamen Heizdauer. Die Berücksichtigung verschiedener Maße, Strahlungseigenschaften und Wärmeabgabe an das umgebende Medium (im allgemeinen Luft) kann durch entsprechende Bemessung der zugeführten Heizenergie erfolgen, mit dem Ergebnis, daß durch die Anordnung nach Abb. 2 die Fassungskörper 1, 2, 3 von- sehr verschiedener Größe und möglicherweise ebenso verschiedenen Strahlungs- und Wärmeabgabeeigenschaften durch das unter den gleichen Umgebungsbedingungen schaltende Phantom 4, 6, 7 innerhalb vorbestimmter und für die einzelnen Körper im wesentlichen übereinstimmender Temperaturgrenzen gehalten werden. Diese unterschiedliche Bemessung deir Heizwiderstände innerhalb der Fassungskörper ist in Abb. 2 schematisch angedeutet. Bei derartig verschiedener Größe der Körper empfiehlt es sich, den Vergleichskörper ungefähr mit einem der mittelgroßen Fassungskörper in gleicher Größe auszuführen.

Die richtige Bemessung der Heizung für die einzelnen Bauelemente wird erleichtert, wenn Vergleichskörper und Fassungskörper als hinsichtlich ihrer Strahlungseigenschaften und möglichst auch hinsichtlich ihrer Wärmeaustauschfähigkeit mit dem umgebenden Medium, gleichartige Körper ausgebildet sind. Dies kann z. B. dadurch geschehen, daß die Fassungskörper bei untereinander verschiedener Größe geometrische Ähnlichkeit aufweisen und daß wenigstens die äußeren Umhüllungen der Fassungskörper und Vergleichsköirper aus dem gleichen Material bestehen. Wenn diese Bedingungen wenigstens in Annäherung erfüllt sind, kann man auf ungefähr übereinstimmende zeitliche Temperaturändeirungen der einzelnen Körper nach dem Einschalten und Ausschalten des Heizstromes rechnen. Wenn man dann ■—· was nach den Erfahrungen der Praxis zulässig ist — bei nicht allzu großer Verschiedenheit der Oberflächen und Massen die Wärmeverluste in erster Annäherung der Körpermasse und damit bei gleicher Materialzusammensetzung der Wärmekapazität proportional annimmt, so genügt es, durch die Bemessung der Heizwiderstände dafür zu sorgen, daß die einem Fassungskörper und einem Vergleichskörper während einer Einschaltperiode der Heizung von der Heizquelle zugeführten Energiebeträge, im Falle der dargestellten Beispiele, also Beträge elektrischer Arbeit, wenigstens ungefähr im gleichen Verhältnis zueinander stehen wie die Wärmekapazitäten der dazugehörigen Körper.

Abb. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung gemäß der Erfindung für den Fall, daß der Fassungskörper 2 ein in einer Keramikfassung untergebrachter Quarzresonator ist. Man erkennt innerhalb der keramischen Kapsel zwischen den Zuführungsdrähten mittels einer Feder aneinandergedrückt zwei Elektrodenplatten und dazwischen den Quarz, der auf einer möglichst gleichbleibenden Temperatur gehalten werden soll. Der keramische Fassungskörper trägt in einer Vertiefung die Heizwicklung 8, die mit der entsprechenden Wicklung 9 des Vergleichskörpers 4 in Reihe geschaltet und mit dieser zusammen von der Stromquelle 5 her erwärmt wird. Diese Heizwicklung wird zweckmäßigerweise als Bifilarwicklung ausgeführt, um Induktionswirkungen bei Wechselstromheizung zu vermeiden. Der Stromlauf geht über einen an Stelle des Quarzes in der entsprechenden Lage in den Vergleichskörper 4 eingebauten Thermoschalter, dessen wärmeempfindliches Organ durch die Bi- go metallmenibran 10 gebildet wird. Diese springt bei wechselnder Temperatur abwechselnd in" zwei stabile Lagen mit verschiedener Durchbiegung und betätigt dadurch den Kontakt mit ihrem Gegenpol 14 im richtigen Sinne. Die genannten Teile io'und 14 werden zwischen Metallringen 11 und 13 sowie einem Isolierring 12 eingespannt. Der aus ihnen zusammengesetzte Schalterkörper wird durch die federnd geschlitzte Scheibe 15 unter leichtem Druck und in leitender Verbindung mit den Stromzuführungen festgehalten.

Die Wirkungsweise der Anordnung ist unter Berücksichtignug des vorher Gesagten ohne weiteres verständlich. Wenn auch nur ein Quarzresonator 2 dargestellt ist, so ist es doch klar, daß beliebig viele mit Heizwicklungen versehene, ähnliche Resonatoren durch den von der Temperatur des gemeinsamen Phantoms 4 gesteuerten Thermoschalter an die gemeinsame Heizstromquelle an- und abgeschaltet werden können. Vorzugsweise können alle piezoelektrischen Schaltelemente einer Schaltungseinheit, welche als solche wahlweise nacheinander oder gleichzeitig in Betrieb sind, in dieser Weise zusammengeschaltet werden. Zweckmäßigerweise sind dabei alle piezoelektrischen Schaltelemente einschließlich ihres Phantoms 4 unter den gleichen Bedingungen hinsichtlich des Austausches der Umgebungsluft angeordnet, beispielsweise in gleicher Entfernung von Wandungen und deren öffnungen.

Für das äquivalente Wärmeverhalten· von Quarzresonator und Phantom ist es in Abb. 3 günstig, daß das letztere einen Fassungskörper aufweist, welcher der Fassung des piezoelektrischen Körpers ähnlich ist bzw. dieser entspricht, wobei das temperaturempfindliche Organ 10 darin die gleiche

Stelle einnimmt wie sonst der Quarz. Wenn durch geeignete Bemessung der Wärmekapazität der In-nenteile, beispielsweise durch Einfügung von zusätzlichen Ausgleichskörpern oder durch die Bemessung der vorhandenen Teile, etwa der Ringe 11 und 13, dafür gesorgt ist, daß die Wärmekapazitäten der innerhalb der Fassung befindlichen Teile beim Quarzresonator und seinem Phantom ebenfalls· gleich sind,-* so kann ein sehr weitgehend übereinstimmendes Wärmeverhalten beider Teile erzielt werden.

Als mit dem Vergleiohskörper verbundenes temperaturempfindliches Organ kann außer einem direkt durch die Temperatur gesteuerten Schalter auch jede andere als Wärmerelais wirkende Anordnung dienen; beispielsweise kann an dem Vergleichskörper auch ein Meßwiderstand angebracht sein, dessen Widerstandsänderung unter der Wirkung von Temperaturänderungen als Aiusgangs-

ao größe für die Steuerung, des Schaltvorganges dient.

Claims (8)

1. Patentansprüche:

   i. Schaltungsanordnung der elektrischen Nachrichtentechnik mit mindestens einem Bauelement, beispielsweise einem piezoelektrischen Kristall, dessen Temperatur durch mittels eines temperaturempfindlichen Organs selbsttätig gesteuerte elektrische Heizung geregelt wird, mit wenigstens je einem Heizwiderstand für je ein Bauelement und für das temperaturempfindliche Organ, welche in Reihen- oder Parallelschaltung miteinander verbunden sind und von einem durch das temperaturempfindliche Organ ein- und ausgeschalteten Heizstromkreis gespeist werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement bzw. die Bauelemente und das temperaturempfindliche Organ in konstruktiv voneinander getrennte und miteinander nicht oder doch nicht in wesentlichem Maße in thermischer Verbindung stehende.Fassungskörper (2, 4) von einander angeglichenem Wärmeverhalten eingefügt sind.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das temperaturempfindliche Organ mit seinem Fassungskörper (4) und ein oder mehrere Bauelemente mit ihren Fassungskörpern (1, 2, 3) als hinsichtlich ihrer Strah- lungseigenschaften und Wärmeaustauschfähigkeit mit dem umgebenden Medium gleichartige Körper ausgebildet sind.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die äußeren Umhüllungen bzw. Fassungen der Bauelemente und des temperaturempfindlichen Organs aus dem gleichen Material bestehen,
4. 4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei untereinander verschiedenen Wärmekapazitäten und möglicherweise verschiedenen Strahlungs- und Wärmeabgabeeigenschaften der Fassungskörper die während eines Heizintervalls zugeführte Heizenergie durch Bemessung des mit jedem Fassungskörper thermisch verbundenen, vorzugsweise bifilar gewickelten Heizwiderstandes derartig festgelegt ist, daß die Bauelemente innerhalb vorbestimmter und im wesentlichen übereinstimmender Temperaturgrenzen gehalten werden.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fassungskörper bei untereinander verschiedener Größe geometrische Ähnlichkeit aufweisen.
6. 6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß alle Körper, welche temperaturgeregelte Bauelemente und das temperaturempfindliche Organ enthalten, unter den gleichen Bedingungen hinsichtlich des Austausches der Umgebungsluft angeordnet sind, beispielsweise in gleicher Entfernung von Wandungen und deren öffnungen.
7. 7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeempfindliche Organ (10) innerhalb einer Fassung eingebaut ist, welche einer Fassung, eines piezoelektrischen Körpers ähnlich ist und sich innerhalb dieser vorzugsweise an der entsprechenden Stelle.befindet, wo sonst der piezoelektrische Körper untergebracht ist.
8. 8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei gleichzeitiger Verwendung von piezoelektrischen Schaltelementen mit Fassungen verschiedener Größe der Thermoschalter in eine entsprechende Fassung mittlerer Größe eingebaut ist.

   In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 735 627; schweizerische Patentschrift Nr. 203 900.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen